Математические модели в сердечно-сосудистой системе человека. Подходы к описанию колебаний с частотой 0,1 Гц вариабельности ритма сердца и магистрального кровотока
https://doi.org/10.24884/1682-6655-2018-17-4-11-23
Аннотация
В обзоре сфокусировано внимание на применении методов математического моделирования в исследовании механизмов, лежащих в основе формирования низкочастотных колебаний в сердечно-сосудистой системе человека. При этом основной акцент делается на 0,1 Гц ритмы и связанные с этим авторские работы. Высказываются и обосновываются новые идеи, касающиеся принципиальной роли гидродинамических свойств сосудистого русла в формировании низкочастотных колебаний в области частоты 0,1 Гц.
Об авторе
А. А. Гриневич
Институт биофизики клетки Российской академии наук – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр "Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук"»;
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник,
142290, Пущино, Московская область, ул. Институтская, д. 3
Список литературы
1. Cohen MA, Taylor JA. Short-term cardiovascular oscillations in man: measuring and modelling the physiologies. The Journal of Physiology. 2002;542(3):669–683. Doi: 10.1113/jphysiol.2002.017483.
2. Киселев А. Р., Гриднев В. И. Колебательные процессы в вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы // Саратов. науч.-мед. журн. – 2011. – Т. 7, № 1. – С. 34–39.
3. Draghici AE, Taylor JA. The physiological basis and measurement of heart rate variability in humans. Journal of Physiological Anthropology. 2016;35(1). Doi: 10.1186/ s40101-016-0113-7.
4. Cooke WH, Hoag JB, Crossman AA et al. Human responses to upright tilt: a window on central autonomic integration. The Journal of Physiology. 1999;517(2):617–628. Doi: 10.1111/j.1469-7793.1999.0617t.x.
5. Stefanovska A, Bracic M, Kvernmo HD. Wavelet analysis of oscillations in the peripheral blood circulation measured by laser Doppler technique. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1999;46(10):1230–1239. Doi: 10.1109/10.790500.
6. Sollers JJ, Sanford TA, Nabors-Oberg R et al. Examining changes in HRV in response to varying ambient temperature. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2002;21(4):30–34. Doi: 10.1109/memb.2002.1032636.
7. Furlan R, Porta A, Costa F et al. Oscillatory Patterns in Sympathetic Neural Discharge and Cardiovascular Variables During Orthostatic Stimulus. Circulation. 2000;101(8):886– 892. Doi: 10.1161/01.cir.101.8.886.
8. Kamiya A, Hayano J, Kawada T et al. Low-frequency oscillation of sympathetic nerve activity decreases during development of tilt-induced syncope preceding sympathetic withdrawal and bradycardia. American Journal of PhysiologyHeart and Circulatory Physiology. 2005;289(4):H1758– H1769. Doi: 10.1152/ajpheart.01027.2004.
9. Julien C. The enigma of Mayer waves: Facts and models. Cardiovascular Research. 2006;70(1):12–21. Doi: 10.1016/j. cardiores.2005.11.008.
10. Тюрина М. Й., Красников Г. В., Танканаг А. В. и др. Спектры девиации частоты сердечных сокращений человека при контролируемом дыхании // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2011. – Т. 10, № 2. – С. 64– 70.
11. Song HS, Lehrer PM. The effects of specific respiratory rates on heart rate and heart rate variability. App. Psychophysiology and Biofeedback. 2003;28:13–23. Doi: 1090-0586/03/0300-0013/0.
12. Lehrer PM, Vaschillo E, Vaschillo B et al. Biofeedback Treatment for Asthma. Chest. 2004;126(2):352–361. Doi: 10.1378/chest.126.2.352.
13. Yucha CB, Tsai P-S, Calderon KS, Tian L. Biofeedbackassisted Relaxation Training for Essential Hypertension. The Journal of Cardiovascular Nursing. 2005;20(3):198–205. Doi: 10.1097/00005082-200505000-00012.
14. Karavidas MK, Lehrer PM, Vaschillo E et al. Preliminary Results of an Open Label Study of Heart Rate Variability Biofeedback for the Treatment of Major Depression. Applied Psychophysiology and Biofeedback. 2007;32(1):19– 30. Doi: 10.1007/s10484-006-9029-z.
15. Hassett AL, Radvanski DC, Vaschillo EG et al. A Pilot Study of the Efficacy of Heart Rate Variability (HRV) Biofeedback in Patients with Fibromyalgia. Applied Psychophysiology and Biofeedback. 2007;32(1):1–10. Doi: 10.1007/s10484-006-9028-0.
16. Horsman HM, Tzeng YC, Galletly DC, Peebles KC. The repeated sit-to-stand maneuver is a superior method for cardiac baroreflex assessment: a comparison with the modified Oxford method and Valsalva maneuver. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 2014;307(11):R1345–R1352. Doi: 10.1152/ajpregu.00376.2014.
17. Lehrer PM, Gevirtz R. Heart rate variability biofeedback: how and why does it work? Frontiers in Psychology. 2014;5. Doi: 10.3389/fpsyg.2014.00756.
18. Stamatakos GS. Spotlight on Cancer Informatics. Cancer Informatics. 2006;2:117693510600200. Doi: 10.1177/ 117693510600200029.
19. Karr JR, Sanghvi JC, Macklin DN et al. A Whole-Cell Computational Model Predicts Phenotype from Genotype. Cell. 2012;150(2):389–401. Doi: 10.1016/j.cell.2012.05.044.
20. Berntson GG, Thomas Bigger J, Eckberg DL et al. Heart rate variability: Origins, methods, and interpretive caveats. Psychophysiology. 1997;34(6):623–648. Doi: 10.1111/j.1469- 8986.1997.tb02140.x.
21. Kleiger RE, Stein PK, Bigger JT. Heart Rate Variability: Measurement and Clinical Utility. Annals of Noninvasive Electrocardiology. 2005;10(1):88–101. Doi: 10.1111/j.1542- 474x.2005.10101.x.
22. Angelone A, Coulter NA. Respiratory sinus arrhythmia: a frequency dependent phenomenon. Journal of Applied Physiology. 1964;19(3):479–482. Doi: 10.1152/jappl.1964.19. 3.479.
23. Bernardi L, Porta C, Gabutti A, Spicuzza L, Sleight P. Modulatory effects of respiration. Auton Neurosci. 2001;90(1- 2):47–56. Doi: 10.1016/s1566-0702(01)00267-3.
24. Gang Y, Malik M. Heart rate variability analysis in general medicine. Indian Pacing Electrophysiol. J. 2003;3:34–40.
25. Tripathi KK. Respiration and heart rate variability: a review with special reference to its application in aerospace medicine. Indian J. Aerosp. Med. 2004;48(1):64–75.
26. Taylor JA, Myers CW, Halliwill JR, et al. Sympathetic restraint of respiratory sinus arrhythmia: implications for vagal-cardiac tone assessment in humans. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2001;280(6):H2804–H2814. Doi: 10.1152/ajpheart. 2001.280.6.h2804.
27. Гриднев В. И., Киселев А. Р., Котельникова Е. В., и др. Влияние внешних периодических стимулов на вариабельность сердечного ритма у здоровых лиц и у пациентов с ишемической болезнью сердца // Физиол. человека. – 2006. – Т. 32, № 5. – С.74–83.
28. Красников Г. В., Пискунова Г. М., Танканаг А. В. и др. Резонансно-подобное взаимодействие колебаний кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека при контролируемом дыхании // Вестн. новых мед. технол. – 2010. – Т. 17, № 4. – С. 15–17.
29. Тюрина М. Й., Красников Г. В., Танканаг А. В. и др. Формирование респираторнозависимых колебаний скорости кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека в условиях контролируемого дыхания // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2011. – Т. 10, № 3. – С. 31–37.
30. Krasnikov GV, Tyurina MY, Tankanag AV et al. Analysis of heart rate variability and skin blood flow oscillations under deep controlled breathing. Respiratory Physiology & Neurobiology. 2013;185(3):562–570. Doi: 10.1016/j.resp. 2012.11.007.
31. Seydnejad SR, Kitney RI. Modeling of Mayer waves generation mechanisms. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2001;20(2):92–100. Doi: 10.1109/ 51.917729.
32. McSharry PE, McGuinness MJ, Fowler AC. Confronting a cardiovascular system model with heart rate and blood pressure data. Computers in Cardiology. 2005; 32:587−590. Doi: 10.1109/cic.2005.1588169.
33. Magosso E, Ursino M. Cardiovascular response to dynamic aerobic exercise: A methematical model. Medical & Biological Engineering & Computing. 2002;40(6):660–674. Doi: 10.1007/bf02345305.
34. Ursino M, Magosso E. Role of short-term cardiovascular regulation in heart period variability: a modeling study. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2003;284(4):H1479–H1493. Doi: 10.1152/ajpheart. 00850.2002.
35. Кюрегян С. Г., Петросян Т. Г., Мхитарян А. Л. и др. Математическая модель сердечно-сосудистой системы организма при физической нагрузке // Известия НАН РА и ГИУА. Сер.: ТН. – 2005. – Т. 18, № 3. – С. 585–592.
36. Cheng L, Ivanova O, Fan H-H, Khoo MCK. An integrative model of respiratory and cardiovascular control in sleepdisordered breathing. Respiratory Physiology & Neurobiology. 2010;174(1-2):4–28. Doi: 10.1016/j.resp.2010.06.001.
37. Batzel JJ, Kappel F, Timischl-Teschl S. A cardiovascularrespiratory control system model including state delay with application to congestive heart failure in humans. Journal of Mathematical Biology. 2004;50(3):293–335. Doi: 10.1007/ s00285-004-0293-3.
38. Гринченко В. Т., Рудницкий А. Г. Модель взаимодействия сердечно-сосудистой и респираторной систем // Акустичний вiсник. – 2006. – Т. 9, № 3. – С. 16–26.
39. Yildiz M, Ider YZ. Model based and experimental investigation of respiratory effect on the HRV power spectrum. Physiological Measurement. 2006;27(10):973–988. Doi: 10.1088/0967-3334/27/10/004.
40. Гриневич А. А., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Исследование зависимости спектров сердечного ритма человека от контролируемой частоты дыхания // Математ. биол. и биоинформатика. – 2013. – Т. 8, № 2. – С. 537–552.
41. Hoffmann U, Yanar A, Franzeck UK et al. The frequency histogram – A new method for the evaluation of laser doppler flux motion. Microvascular Research. 1990;40(3):293–301. Doi: 10.1016/0026-2862(90)90028-p.
42. Mück-Weymann ME, Albrecht H-P, Hager D, et al. Respiratory-Dependent Laser–Doppler Flux Motion in Different Skin Areas and Its Meaning to Autonomic Nervous Control of the Vessels of the Skin. Microvascular Research. 1996;52(1):69–78. Doi: 10.1006/mvre.1996.0044.
43. Bertuglia S, Colantuoni A, Intaglietta M. Effects of L-NMMA and Indomethacin on Arteriolar Vasomotion in Skeletal Muscle Microcirculation of Conscious and Anesthetized Hamsters. Microvascular Research. 1994;48(1):68–84. Doi: 10.1006/mvre.1994.1039.
44. Landsverk SA, Kvandal P, Kjelstrup T, et al. Human Skin Microcirculation after Brachial Plexus Block Evaluated by Wavelet Transform of the Laser Doppler Flowmetry Signal. Anesthesiology. 2006;105(3):478–84. Doi: 10.1097/00000542- 200609000-00010.
45. Kvandal P, Landsverk SA, Bernjak A et al. Lowfrequency oscillations of the laser Doppler perfusion signal in human skin. Microvascular Research. 2006;72(3):120–127. Doi: 10.1016/j.mvr.2006.05.006.
46. Bernjak A, Clarkson PBM, McClintock PVE, Stefanovska A. Low-frequency blood flow oscillations in congestive heart failure and after β1-blockade treatment. Microvasc. Res. 2008;76(3):224–232. Doi: 10.1016/j.mvr.2008.07.006.
47. Stewart JM, Taneja I, Goligorsky MS, Medow MS. Noninvasive Measure of Microvascular Nitric Oxide Function in Humans Using Very Low-Frequency Cutaneous Laser Doppler Flow Spectra. Microcirculation. 2007;14(3):169– 180. Doi: 10.1080/10739680601139179.
48. Кирилина Т. В., Красников Г. В., Танканаг А. В. и др. Пространственная синхронизация колебаний кровотока в системе микроциркуляции кожи человека // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2009. – Т. 8, № 3. – С. 32–36.
49. Liao F, Jan Y-K. Enhanced phase synchronization of blood flow oscillations between heated and adjacent nonheated sacral skin. Medical & Biological Engineering & Computing. 2012;50(10):1059–1000. Doi: 10.1007/s11517- 012-0948-y.
50. Tankanag AV, Grinevich AA, Kirilina TV et al. Wavelet phase coherence analysis of the skin blood flow oscillations in human. Microvascular Research. 2014;95:53–59. Doi: 10.1016/j.mvr.2014.07.003.
51. Tankanag AV, Grinevich AA, Tikhonova IV et al. Phase synchronization of oscillations in cardiovascular and respiratory systems in humans. Derbov VL, Postnov DE, editors. Saratov Fall Meeting 2016: Laser Physics and Photonics XVII; and Computational Biophysics and Analysis of Biomedical Data III. 2017. Doi: 10.1117/12.2267492.
52. Tankanag AV, Grinevich AA, Tikhonova IV et al. Phase synchronization of skin blood flow oscillations in humans under asymmetric local heating. Biophysics. 2017;62(4):629–635. Doi: 10.1134/s0006350917040212.
53. Karavaev AS, Prokhorov MD, Ponomarenko VI et al. Synchronization of low-frequency oscillations in the human cardiovascular system. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2009;19(3):033112. Doi: 10. 1063/1.3187794.
54. Prokhorov MD, Ponomarenko VI, Gridnev VI et al. Synchronization between main rhythmic processes in the human cardiovascular system. Physical Review E. 2003;68(4): 041913. Doi: 10.1103/physreve.68.041913.
55. Kiselev AR, Gridnev VI, Prokhorov MD et al. Selection of optimal dose of beta-blocker treatment in myocardial infarction patients based on changes in synchronization between 0.1 Hz oscillations in heart rate and peripheral microcirculation. Journal of Cardiovascular Medicine. 2012;13(8):491–498. Doi: 10.2459/jcm.0b013e3283512199.
56. Гриневич А. А., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Роль эластичности кровеносных сосудов в формировании высокоамплитудных колебаний кровотока на частоте 0,1 Гц // Математ. биол. и биоинформатика. – 2014. – Т. 9, № 2. – С. 341–358.
57. Grinevich AA, Tankanag AV, Chemeris NK. The role of hydrodynamic parameters in the forming of low-frequency oscillations in arterial blood pressure in human. Mathematical Biology and Bioinformatics. 2016;11(2):233–244. Doi. org/10.17537/2016.11.233.
58. Ferrario M, Moissl U, Garzotto F et al. The Forgotten Role of Central Volume in Low Frequency Oscillations of Heart Rate Variability. PLOS ONE. 2015;10(3):e0120167. Doi: 10.1371/journal.pone.0120167.
59. Роль аддитивной стохастической модуляции работы сердца в формировании колебаний кровотока частотой 0,1 Гц в сердечно-сосудистой системе человека / А. А. Гриневич, А. В. Танканаг, В. Г. Сафронова, Н. К. Чемерис // Доклады Академии наук. – 2016. – Т. 468, № 3. – С. 342.
60. Grinevich AA, Tankanag AV, Chemeris NK. Formation of the peak amplitude of blood flow oscillations at a frequency of 0.1 Hz in the human cardiovascular system by the noise effect on the heart. Derbov VL, Postnov DE, editors. Saratov Fall Meeting 2016: Laser Physics and Photonics XVII; and Computational Biophysics and Analysis of Biomedical Data III. 2017. Doi: 10.1117/12.2267634.
Рецензия
Для цитирования:
Гриневич А.А. Математические модели в сердечно-сосудистой системе человека. Подходы к описанию колебаний с частотой 0,1 Гц вариабельности ритма сердца и магистрального кровотока. Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2018;17(4):11-23. https://doi.org/10.24884/1682-6655-2018-17-4-11-23
For citation:
Grinevich A.A. Mathematical models in the human cardiovascular system. Approaches to the description of 0.1 Hz oscillations of heart rate variability and the magistral blood flow. Regional blood circulation and microcirculation. 2018;17(4):11-23. (In Russ.) https://doi.org/10.24884/1682-6655-2018-17-4-11-23
Просмотров:
2063
Послать статью по эл. почте 
