Организованная частотная структура электрокардиограммы при длительном развитии фибрилляции желудочков сердца в эксперименте

Цель исследования — изучение частотной структуры электрокардиограммы (ЭКГ) методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) в диапазоне частот 1–40 Гц при длительном развитии фибрилляции желудочков (ФЖ) сердца собаки в эксперименте.

Материалы и методы. У 10 собак регистрировали ЭКГ до и во время ФЖ. Патологические изменения на ЭКГ до ФЖ не определялись. ФЖ вызывали, стимулируя сердце переменным током. Проводили спектральный анализ ЭКГ при ФЖ методом БПФ в 5 диапазонах частот: очень низкие частоты (1–3 Гц), низкие (4–7 Гц), средние (8–12 Гц), высокие (13–17 Гц) и очень высокие частоты (18–40 Гц). Определяли спектральную мощность (амплитуду) и удельный вес осцилляций (M±m, n=50) во всех 5 частотных диапазонах.

Результаты. ЭКГ при ФЖ характеризуется доминантной частотной структурой. На 1-й минуте ФЖ наблюдаются наибольшие изменения в частотной структуре с переходом от доминирования осцилляций высоких частот (13–17 Гц) к доминированию осцилляций средних (8–12 Гц), а затем и низких частот (4–7 Гц). На 2–10-й минутах доминирование осцилляций низких частот переходит в доминирование осцилляций низких и средних частот. Суммарная амплитуда осцилляций частотой 1–40 Гц существенно не меняется на 1-й минуте ФЖ, статистически значимо снижаясь на 2–10-й минутах.

Заключение. Доминантная частотная структура ЭКГ свидетельствует об организованной электрической активности миокарда при ФЖ. Результаты работы можно использовать в алгоритмах машинной диагностики ФЖ с доминантной частотной структурой. Организованная активность при ФЖ позволяет обосновать поиск способа ритмической дефибрилляции с использованием серии относительно слабых, но ритмованных стимулов.

1. Гурвич Н.Л. Основные принципы дефибрилляции сердца. М: Медицина; 1975.
2. Бокерия Л.А., Бокерия О.Л., Кислицына О.Н. Ран­до­мизированные клинические исследования по про­фи­лактике внезапной сердечной смерти: принципы и итоговые показатели. Анналы аритмологии 2010; 7(2): 5–14.
3. Hayashi M., Shimizu W., Albert C.M. The spectrum of epidemiology underlying sudden cardiac death. Circ Res 2015; 116(12): 1887–1906, http://dx.doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.116.304521.
4. Бокерия О.Л., Ахобеков А.А. Внезапная сердечная смерть: механизмы возникновения и стратификация рис­ка. Анналы аритмологии 2012; 9(3): 5–13.
5. Abhilash S.P., Narayanan N. Sudden cardiac death — historical perspectives. Indian Heart J 2014; 66(Suppl 1): S4–S9, http://dx.doi.org/10.1016/j.ihj.2014.01.002.
6. Mathematical approaches to cardiac arrhythmias. Ann N Y Acad Sci 1990; 591: 1–416.
7. Fenton F., Karma A. Vortex dynamics in three-dimensional continuous myocardium with fiber rotation: filament instability and fibrillation. Chaos 1998; 8(1): 20–47, http://dx.doi.org/10.1063/1.166311.
8. Qu Z. Chaos in the genesis and maintenance of cardiac arrhythmias. Prog Biophys Mol Biol 2011; 105(3): 247–257, http://dx.doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2010.11.001.
9. Karma A. Physics of cardiac arrhythmogenesis. Annu Rev Condens Mat Phys 2013; 4(1): 313–337, http://dx.doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-020911-125112.
10. Qu Z., Hu G., Garfinkel A., Weiss J.N. Nonlinear and stochastic dynamics in the heart. Phys Rep 2014; 543(2): 61–162, http://dx.doi.org/10.1016/j.physrep.2014.05.002.
11. Qu Z., Weiss J.N. Mechanisms of ventricular arrhythmias: from molecular fluctuations to electrical turbulence. Annu Rev Physiol 2015; 77: 29–55, http://dx.doi.org/10.1146/annurev-physiol-021014-071622.
12. Huang J., Rogers J.M., Killingsworth C.R., Singh K.P., Smith W.M., Ideker R.E. Evolution of activation patterns during long duration ventricular fibrillation in dogs. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2004; 286(3): H1193–H1200, http://dx.doi.org/10.1152/ajpheart.00773.2003.
13. Huizar J.F., Warren M.D., Shvedko A.G., Kalifa J., Moreno J., Mironov S., Jalife J., Zaitsev A.V. Three distinct phases of VF during global ischemia in the isolated blood-perfused pig heart.Am J Physiol Heart Circ Physiol 2007; 293(3): H1617–H1628, http://dx.doi.org/10.1152/ajpheart.00130.2007.
14. Cheng K.A., Dosdall D.J., Li L., Rogers J.M., Ideker R.E., Huang J. Evolution of activation patterns during long-duration ventricular fibrillation in pigs. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2012; 302(4): H992–H1002, http://dx.doi.org/10.1152/ajpheart.00419.2011.
15. Barr R.C. The electrocardiogram and its relationship to excitation of the heart. In: Physiology and pathophysiology of the heart. Developments in cardiovascular medicine. Springer Science + Business Media; 1989; p. 175–93, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4613-0873-7_8.
16. Бабский Е.Б., Балантер Б.И., Киреева Т.Б., Мака­рычев В.А., Мезенцева Л.В. Применение корреляционно-спектрального анализа к изучению процесса фибрилляции желудочков сердца. Кибернетика (Москва) 1972; 9–10(56): 44–51.
17. Табак В.Я., Черныш А.М., Немирко А.П., Манило Л.А. Динамика спектральных характеристик ЭКГ при развитии фибрилляции желудочков сердца. Анестезиология и ре­ани­матология 1980; 1: 71–74.
18. Newton J.C., Smith W.M., Ideker R.E. Estimated global transmural distribution of activation rate and conduction block during porcine and canine ventricular fibrillation. Circ Res 2004; 94(6): 836–842, http://dx.doi.org/10.1161/01.res.0000120860.01645.17.
19. Pandit S.V., Jalife J. Rotors and the dynamics of cardiac fibrillation. Circ Res 2013; 112(5): 849–862, http://dx.doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.111.300158.
20. Михайлов С.С. Клиническая анатомия сердца. М: Медицина; 1987.
21. Koller M.L., Riccio M.L., Gilmour R.F. Dynamic restitution of action potential duration during electrical alternans and ventricular fibrillation. Am J Physiol 1998; 275(5 Pt 2): H1635–H1642.
22. Stanley W.C., Recchia F.A., Lopaschuk G.D. Myocardial substrate metabolism in the normal and failing heart. Physiol Rev 2005; 85(3): 1093–1129, http://dx.doi.org/10.1152/physrev.00006.2004.
23. Gebhard M.-M., Bretschneider H.J., Schnabel P.A. Cardioplegia principles and problems. In: Physiology and pathophysiology of the heart. Developments in Cardiovascular Medicine. Springer Science + Business Media 1989; p. 655–668, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4613-0873-7_32.
24. Huang J., Dosdall D.J., Cheng K.-A., Li L., Rogers J.M., Ideker R.E. The importance of Purkinje activation in long duration ventricular fibrillation. J Am Heart Assoc 2014; 3(1): e000495, http://dx.doi.org/10.1161/JAHA.113.000495.
25. Akiyama T. Intracellular recording of in situ ventricular cells during ventricular fibrillation. Am J Physiol 1981; 240(4): H465–H471, http://dx.doi.org/10.1016/0002-9149(80)90815-2.
26. Opie L.H. Substrate and energy metabolism of the heart. In: Physiology and pathophysiology of the heart. Developments in cardiovascular medicine. Springer Science + Business Media; 1989; p. 327–359, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4613-0873-7_16.
27. Caldwell J.C., Burton F.L., Cobbe S.M., Smith G.L. Amplitude changes during ventricular fibrillation: a mechanistic insight. Front Physiol 2012; 3: 147, http://dx.doi.org/10.3389/fphys.2012.00147.
28. Lazzara R., Scherlag B.J. Cellular electrophysiology and ischemia. In: Physiology and pathophysiology of the heart. Developments in cardiovascular medicine. Springer Science + Business Media; 1989; p. 493–508, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4613-0873-7_23.
29. Kléber A.G., Rudy Y. Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias. Physiol Rev 2004; 84(2): 431–488, http://dx.doi.org/10.1152/physrev.00025.2003.
30. Venable P.W., Taylor T.G., Shibayama J., Warren M., Zaitsev A.V. Complex structure of electrophysiological gradients emerging during long-duration ventricular fibrillation in the canine heart. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2010; 299(5): H1405–H1418, http://dx.doi.org/10.1152/ajpheart.00419.2010.
31. Taylor T.G., Venable P.W., Shibayama J., Warren M., Zaitsev A.V. Role of K_ATP channel in electrical depression and asystole during long-duration ventricular fibrillation in ex vivo canine heart. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2012; 302(11): H2396–H2409, http://dx.doi.org/10.1152/ajpheart.00752.2011.
32. Janssen P.M., Periasamy M. Determinants of frequency dependent contraction and relaxation of mammalian myocardium. J Mol Cell Cardiol 2007; 43(5): 523–531, http://dx.doi.org/10.1016/j.yjmcc.2007.08.012.
33. Milani-Nejad N., Janssen P.M. Small and large animal models in cardiac contraction research: advantages and disadvantages. Pharmacol Therapeutics 2014; 141(3): 235–249, http://dx.doi.org/10.1016/j.pharmthera.2013.10.007.
34. Иванов Г.Г., Востриков В.А. Фибрилляция желу­дочков и желудочковые тахикардии — базовые положения и диагностические критерии. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия Медицина 2009; 1: 75–80.
35. Востриков В.А., Богушевич М.С. Электротравма: пато­генез, клиника и лечение электротравмы. Труды филиала НИИ общей реаниматологии РАМН в Ново­кузнецке 2001; 2: 3–16.
36. Myerburg R.J., Junttila M.J. Sudden cardiac death caused by coronary heart disease. Circulation 2012; 125(8): 1043–1052, http://dx.doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.111.023846.
37. Nash M.P., Mourad A., Clayton R.H., Sutton P.M., Bradley C.P., Hayward M., Paterson D.J., Taggart P. Evidence for multiple mechanisms in human ventricular fibrillation. Circulation 2006; 114(6): 536–542, http://dx.doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.105.602870.
38. Sánchez-Muñoz J.J., Rojo-Alvarez J.L., García-Alberola A., Everss E., Alonso-Atienza F., Ortiz M., Martínez-Sánchez J., Ramos-López J., Valdés-Chavarri M. Spectral analysis of intracardiac electrograms during induced and spontaneous ventricular fibrillation in humans. Europace 2009; 11(3): 328–331, http://dx.doi.org/10.1093/europace/eun366.
39. Panfilov I., Lever N.A., Smaill B.H., Larsen P.D. Ventricular fibrillation frequency from implanted cardioverter defibrillator devices. Europace 2009; 11(8): 1052–1056, http://dx.doi.org/10.1093/europace/eup159.
40. Bradley C.P., Clayton R.H., Nash M.P., Mourad A., Hayward M., Paterson D.J., Taggart P. Human ventricular fibrillation during global ischemia and reperfusion. Paradoxical changes in activation rate and wavefront complexity. Circ Arrhythm Electrophysiol 2011; 4(5): 684–691, http://dx.doi.org/10.1161/CIRCEP.110.961284.
41. Clinical cardiac pacing and defibrillation. Ellenbogen A., Kay G.N., Wilkoff B.L. (editors). WB Saunders Company; 2000.
42. Sowell B., Fast V.G. Ionic mechanism of shock-induced arrhythmias: role of intracellular calcium. Heart Rhythm 2012; 9(1): 96–104, http://dx.doi.org/10.1016/j.hrthm.2011.08.024.
43. Chen P.S., Wolf P.D., Melnick S.D., Danieley N.D., Smith W.M., Ideker R.E. Comparison of activation during ventricular fibrillation and following unsuccessful defibrillation shocks in open-chest dogs. Circ Res 1990; 66(6): 1544–1560, http://dx.doi.org/10.1161/01.RES.66.6.1544.
44. Zhou X., Daubert J.P., Wolf P.D., Smith W.M., Ideker R.E. Epicardial mapping of ventricular defibrillation with monophasic and biphasic shocks in dogs. Circ Res 1993; 72(1): 145–160, http://dx.doi.org/10.1161/01.RES.72.1.145.
45. Nanthakumar K., Johnson P.L., Huang J., Killingsworth C.L., Rollins D.L., Mselderry H.T., Smith W.M., Ideker R.E. Regional variation in capture of fibrillating swine left ventricle during electrical stimulation. J Cardiovasc Electrophysiol 2005; 16(4): 425–432, http://dx.doi.org/10.1046/j.1540-8167.2005.40517.x.
46. Pak H.-N., Liu Y.-B., Hayashi H., Okuyama Y., Chen P.-S., Lin S.-F. Synchronization of ventricular fibrillation with real-time feedback pacing: implication to low-energy defibrillation. Am J Physiol 2003; 285(6): H2704–H2711, http://dx.doi.org/10.1152/ajpheart.00366.2003.
47. Johnson P.L., Newton J.C., Rollins D.L., Smith W.M., Ideker R.E. Adaptive pacing during ventricular fibrillation. Pacing Clin Electrophysiol 2003; 26(9): 1824–1836, http://dx.doi.org/10.1046/j.1460-9592.2003.t01-1-00276.x.
48. Alferness C., Bayly P.V., Krassowska W., Daubert J.P., Smith W.M., Ideker R.E. Strength-interval curves in canine myocardium at very short cycle length. Pacing Clin Electrophysiol 1994; 17(5 Pt 1): 876–881, http://dx.doi.org/10.1111/j.1540-8159.1994.tb01428.x.
49. Frommer P.L. Studies on coupled pacing technique and some comments on paired electrical stimulation. Bull N Y Acad Med 1965; 41: 670–680.
50. Ухтомский А.А. Проблема физиологической ла­бильности (1939). В кн.: Собрание сочинений: В 6 т. Т. 2. Ленинград: Изд-во Ленинградского гос. ун-та; 1952; с. 167–171.
51. Ухтомский А.А. Ансамбль возбуждения и электротон (1941). Собрание сочинений: В 6 т. Ленинград: Изд-во Ленинградского гос. ун-та; 1962; Т. 6; с. 152–167.
52. Penfield W., Jasper H. Epilepsy and the functional anatomy of the human brain. London: I.A. Chuchill; 1954.

Guryanov M.I. Organized Frequency Structure of Electrocardiogram During Long-Duration Ventricular Fibrillation Under Experimental Conditions. Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(3): 37, https://doi.org/10.17691/stm2016.8.3.04