Matematická analýza regulace krevního oběhu

Mgr. Jana Svačinová, Ph.D.

Doctoral thesis

Mathematical analysis of the regulation of blood circulation

Abstract:

Úvod: Schopnost srdeční větve baroreflexu regulovat krevní tlak lze vyhodnotit na základě analýzy vztahu srdečních intervalů (SI) nebo frekvence (SF) a systolického krevního tlaku (STK). Nejčastěji se používají indexy citlivosti baroreflexu BRS nebo BRSf (zesílení přenosové funkce z SI/SF do STK). BRS vykazuje větší závislost na SI než BRSf, dosud však chyběla detailnější matematická analýza jejich vztahu. SI/SF a STK interagují v uzavřené smyčce, takže kromě baroreflexního směru přenosu variability (STKSI/SF) je významný také přenos variability nebaroreflexním směrem (SI/SF->STK). Tato studie zavedla nové metody umožňující vyšetřit oba směry interakce STK a SI/SF zvlášť. Cíle: A) teoretická analýza vztahu BRS a BRSf v kontextu změn SI; B) analýza změn kauzálních vztahů STK a SI/SF v průběhu dospívání; C) vyhodnocení časných změn citlivosti baroreflexu u diabetu mellitu I. typu (DM1). Metody: Sekvence klidových STK, SI a SF byly tep po tepu snímány 335 zdravým dobrovolníkům (11–23 let). Bivariantní model umožňuje výpočet koherencí Coh2(stk,si)/Coh2(stk,sf) popisujících nekauzální vztah mezi STK a SI/SF a kauzálních koherencí charakterizujících těsnost vazby v baroreflexním (Coh2(stk->si)/Coh2(stk->sf)) a nebaroreflexním (Coh2(si->stk)/Coh2(sf->stk)) směru. Tradiční BRS/BRSf (zesílení G(stk,si)/G(stk,sf)) obsahuje nekauzální koherenci, nové BRS/BRSf (kauzální zesílení G(stk->si)/G(stk->sf)) obsahuje kauzální koherenci. Kauzální indexy spřažení popisují velikost informace přenášené v baroreflexním a nebaroreflexním směru (C(stk->si)/C(si->stk)). Všechny parametry byly korelovány s věkem a byla zkoumána dominance směru přenosu variability. U 14 zdravých kontrol a 14 DM1 (22±1 let) jsme sledovali kolísání tradičně počítané BRS/BRSf v souvislosti s kolísáním SI ze 42 minutového záznamu. Zjišťovali jsme, zda je lehká porucha citlivosti baroreflexu detekovatelná, bude-li použit 3 minutový záznam. Výsledky: A) BRS je ze své definice závislá na SI a za určitých okolností vykazuje protichůdné změny v porovnání s BRSf. B) Korelace s věkem: kladná G(stk,si); záporná G(stk,sf), G(stk->sf) , Coh2(stk->si)/Coh2(stk->sf). Ostatní parametry nekorelují. Coh2(si->stk)/Coh2(sf->stk) a C(si->stk) byly vyšší než Coh2(stk->si)/Coh2(stk->sf) a C(stk->si). C) V 3-minutových záznamech se snížená BRS u DM1 vyskytovala společně se zkrácením SI. BRS a SI (ne BRSf) ze 42-minutového záznamu byly snížené u DM1. Závěr: Nebaroreflexní složka je v interakci SI a STK dominantní, takže G(stk->si)/G(stk->sf) poskytuje přesnější informaci o citlivosti baroreflexu. Schopnost baroreflexu reagovat na změny STK změnou SF se v období dospívání snižuje. Částečná závislost BRS na průměrném SI odráží baroreflexní odpověď jak na změnu krevního tlaku, tak změnu v tonické sympatické a parasympatické regulaci srdeční frekvence. To se projeví sice časnější detekcí poruch regulace krevního tlaku u diabetiků, ale také zamaskováním poklesu baroreflexního přenosu informace v průběhu dospívání.

Abstract:

Introduction: Baroreflex control of blood pressure can be evaluated by analysis of interaction between systolic blood pressure (SBP) and inter-beat intervals or frequency (IBI/IBF). Indices of baroreflex sensitivity, BRS and BRSf (transfer function gain from IBI/IBF to SBP), are most frequently used. BRS depends more on IBI than BRSf. However detailed analysis of the relationship between IBI, BRS and BRSf was lacking. SBP and IBI/IBF interact in a closed loop, therefore are not only influential in baroreflex direction (SBP->IBI/IBF) but also in non-baroreflex direction (IBI/IBF->SBP). This study introduced new methods enabling the assessment of both pathways of the closed loop interaction separately. Aims: A) theoretical analysis of the BRS─BRSf relationship in the context of IBI changes; B) analysis of causal SBP─IBI/IBF interactions during adolescence; C) estimation of early BRS/BRSf changes in type I. diabetes (DM1). Methods: Sequence of resting SBP, IBI and IBF were beat-to-beat recorded in 335 healthy subjects (11─23 years). We used the bivariate model to evaluate coherences Coh2(sbp,ibi)/Coh2(sbp,ibf) describing non-causal SBP─IBI/IBF relationship and causal coherences in baroreflex (Coh2(sbp->ibi)/Coh2(sbp->ibf)) and non-baroreflex (Coh2(ibi->sbp)/Coh2(ibf->sbp)) directions. Traditional BRS/BRSf (gains G(sbp,ibi)/G(sbp,ibf)) contain non-causal coherences, new BRS/BRSf (causal gains G(sbp->ibi)/G(sbp->ibf)) contain causal coherences. Causal coupling indices represent the amount of information transferred in baroreflex and non-baroreflex direction (C(sbp->ibi)/C(ibi->sbp)). The correlation of all variables with age and dominant direction of closed loop interaction was estimated. Fluctuation of traditional BRS/BRSf in 14 DM1 and 14 controls (22±1 years) in the context of IBI changes were examined in 42-minute recordings. We estimated whether mild baroreflex sensitivity impairment was detectable when using 3-minute recording. Results: A) Dependency of BRS on IBI was based on its definition. BRS and BRSf in special conditions exhibited contradictory changes. B) Changes with age: G(sbp,ibi) increased; G(sbp,ibf), G(sbp->ibf), Coh2(sbp->ibi)/Coh2(sbp->ibf) decreased, other variables did not correlate. Coh2(ibi->sbp)/Coh2(ibf->sbp) a C(ibi->sbp) were higher than Coh2(sbp->ibi)/Coh2(sbp->ibf) a C(sbp->ibi). C) Decreased BRS in DM1 occurred together with shortened IBI in 3-minute recordings. In 42-minute recording only BRS and IBI, not BRSf, were lower in DM1. Conclusion: Non-baroreflex component was dominant in IBI─SBP interaction; therefore G(sbp->ibi)/G(sbp->ibf) provided more accurate baroreflex sensitivity estimation. Response of SBP to IBI/IBF decreased with age. Partial dependency of BRS to IBI reflected baroreflex response to blood pressure changes as well as to changes in tonic sympathetic and parasympathetic heart rate control. This fact led to earlier detection of baroreflex impairment in diabetics but also to the masking of baroreflex information transfer decrease during adolescence.

Keywords

Citlivost baroreflexu, krevní tlak, srdeční frekvence, autonomní nervový systém, zesílení, koherence, kauzalita, spřažení, Baroreflex sensitivity, blood pressure, heart rate, autonomic nervous system, gain, coherence, causality, coupling

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 9. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 9. 11. 2015
• Supervisor: prof. MUDr. Nataša Honzíková, CSc.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Physiology and Pathological Physiology (4-years) / Physiology and Pathological Physiology