Аннотация
Цели. Для оценки моторики желудка и параметров его опорожнения может использоваться измерение биоимпеданса. Однако, более известной методикой для этой цели является
электрогастрография (ЭГГ). Ранее не сообщалось о наличии корреляции между сигналом ЭГГ и механической моторикой желудка. В настоящем исследовании была проведена прямая сравнительная оценка данных, полученных с помощью указанных двух методов.
Методы. У 23 добровольцев одновременно проводился мониторинг желудка с использованием ЭГГ и измерения биоимпеданса. Обработка сигналов выполнялась с целью выделения медленных волн в диапазоне 0,5–9 сокращений в минуту (мин
-1). Параметры, полученные из перекрывающихся на 70 % временных окон продолжительностью 3,5 минуты, включали доминирующую частоту и мощность в нормогастрическом диапазоне, а также процентное соотношение бради-, нормо- и тахигастрических медленных волн.
Результаты. ЭГГ показала несколько более высокие значения доминирующих частот, в то время как биоимпеданс продемонстрировал большую вариативность. Признаки высокой частоты были более выражены в сигнале биоимпеданса при меньшей вариабельности, и корреляция была обнаружена примерно в половине спектров частот. Медленные волны показали слабую корреляцию, но были значимы в 95 % временных окон.
Выводы. Сравнивая измерение биоимпеданса и ЭГГ, можно отметить, что глобальные параметры в нормогастрическом диапазоне имеют незначительные различия, которые, вероятно, не оказывают существенного влияния на клинические выводы. Очевидна высокая чувствительность биоимпеданса к более высоким частотам.
Введение
Регистрация электрической активности желудка изучается уже много лет. Электрогастрография (ЭГГ) с 1970-х годов рассматривалась как перспективный метод для оценки желудочной активности и с тех пор получила широкое распространение. Позже был предложен метод биоимпеданса, который позволяет отслеживать изменения импеданса в области желудка, связанные с его моторикой и опорожнением.
Более ранние исследования показали, что биоимпеданс может хорошо отражать параметры моторики, такие как опорожнение желудка, и в ряде случаев его результаты совпадали с методами-«золотыми стандартами». Однако электрическая активность и механическая моторика не всегда напрямую согласованы между собой.
Попытки сравнить ЭГГ и биоимпеданс предпринимались с момента появления последнего. Отмечалось, что ЭГГ отражает миоэлектрическую активность, а биоимпеданс — двигательную. Исследования при различных желудочных нарушениях показали, что методы могут давать как схожие, так и различающиеся результаты, особенно в оценке изменений после лечения.
Несмотря на различия, оба метода используют сходные подходы к анализу сигналов. ЭГГ хорошо отражает симптомы и патологические изменения, а биоимпеданс — параметры моторики. Однако корреляция между ними не всегда высока.
Авторы исследования предполагают, что, несмотря на то, что методы отражают разные аспекты функционирования желудка, различия между ними могут быть несущественными с точки зрения клинической интерпретации. Цель исследования — оценить, насколько можно применять единые параметры и методики анализа к обоим типам сигналов, и использовать их для вывода о состоянии желудка.
Материалы и методы
Были проанализированы данные, полученные на 23 здоровых добровольцах в возрасте 18–25 лет (70 % — мужчины). Критерием отбора было отсутствие нарушений со стороны ЖКТ — ни у одного из участников не было диагностированных заболеваний или симптомов (тошнота, рвота, вздутие, дискомфорт) в течение недели до обследования.
Для получения информации о желудочной активности — как электрической, так и механической — использовались оба метода: ЭГГ и измерение биоимпеданса. ЭГГ регистрирует внутреннюю электрическую активность организма. В данном случае важно было предварительно отфильтровать частоты выше 1 Гц (чтобы исключить влияние других мышц, особенно сердца и опорно-двигательной системы) и ниже 0,005 Гц, а также усилить сигнал (от сотен мкВ до десятых долей В, с коэффициентом усиления 1000 или 2000).
Биоимпеданс-методика измеряет электрический импеданс в области желудка. Через пару электродов подается небольшой постоянный ток (400 мкА) с частотой 50 кГц. Эта частота не влияет на запись ЭГГ и подходит для прохождения через ткани организма. Напряжение регистрируется двумя другими электродами, расположенными на спине, и используется для расчета импеданса. В данном исследовании применялись полосовые фильтры и усиление, аналогичные ЭГГ. Коэффициенты усиления подбирались индивидуально в зависимости от состава тела. Тип электродов был одинаков для обоих методов. Оба сигнала регистрировались одновременно с частотой 250 отсчётов в секунду.
Обработка данных обоих методов выполнялась идентично: одинаковая децимация, одинаковые параметры фильтрации и сглаживания, одинаковые параметры быстрого преобразования Фурье (БПФ). Взаимных помех между методами не ожидалось, поскольку биоимпеданс-методика использует ток с частотой 50 кГц, которая лежит далеко за пределами рабочих частот фильтров. Перед обработкой сигналы были стандартизованы для обеспечения возможности аналогичного анализа.
Расположение электродов определялось с учётом внешней анатомии и внутреннего положения желудка, независимо от телосложения участника. Для биоимпеданс-методики использовались четыре электрода: один располагался между мечевидным отростком и пупком, второй — слева по средней линии грудной клетки, чуть ниже нижнего ребра и выше уровня первого электрода. Два других электрода размещались на спине на том же уровне, избегая проекции позвоночника. Электроды ЭГГ размещались рядом с фронтальными биоимпедансными электродами справа, а третий — на правом бедре. Положение электродов определялось анатомическими ориентирами, поэтому расстояния и геометрия могли отличаться между участниками. Индекс массы тела и другие особенности влияли на амплитуду сигнала, но не на его форму и частоту. Стандартизация сигналов позволила сравнивать их между собой, несмотря на различия в природе физиологических процессов.
Протокол исследования включал одновременную регистрацию сигналов ЭГГ и биоимпеданса на частоте 250 отсчётов в секунду. Сначала участникам предоставлялось 5 минут на адаптацию с подключённым оборудованием; затем в течение 30 минут они находились в положении лёжа в тихом, уединённом помещении. Схема установки представлена на рисунке 1.
Рис.1. Схема установки для регистрации данных. Серые электроды соответствуют подключению измерителя биоимпеданса, черные — подключению ЭГГ.
Желудочная моторика включает медленные волны (возникающие вследствие потенциала водителей ритма) и сокращения желудка (аналог спайк-потенциалов). Нормальные медленные волны у человека составляют около 3 циклов в минуту (в пределах 2–4 мин
-1). Волны с частотой 0,5–2 мин
-1 классифицируются как брадигастрия, а с частотой 4–9 мин
-1 — как тахигастрия. Рассчитывалась доля времени или число волн в каждом из этих диапазонов.
Обработка данных включала децимацию до 5 отсчётов в секунду, удаление трендов и аппроксимацию полиномом второго порядка на интервалах длительнстью 1 с. Для удаления артефактов применялся метод линейной оценки минимальной среднеквадратичной ошибки (
англ. Linear Minimum Mean Square Error Estimation, LMMSE) и фильтр Баттерворта третьего порядка с полосой пропускания 0,5–9 мин
-1. Для анализа в частотной области использовался метод Юла–Уокера, подходящий для коротких стационарных отрезков сигнала. Интервалы анализа составляли 3,5 мин с перекрытием в 2,5 мин (70 %), что позволило захватывать частоты вплоть до 0,28 мин
-1. Анализировались доминирующая частота и мощность в нормогастрическом диапазоне (если таковые существовали), доля площади под графиком спектра в каждом частотном диапазоне, а также вариативность параметров.
Результаты
На рисунке 2 представлен пример сравнения сигналов во временно́й области для каждого диапазона активности. В типичных временны́х сигналах обеих методик волны представлены в смешанном виде по частоте, что отражает вариабельность желудочного ритма. Для целей классификации нормальной считалась ситуация, когда более 70 % медленных волн находились в нормогастрическом диапазоне. В данном исследовании желудочная активность не классифицировалась, а проводилось только сравнение параметров во временно́й и частотной областях.
Рис. 2. Пример сравнения желудочных медленных волн во временно́й области (стандартизированные данные) в тахи-, нормо- и брадигастрическом диапазонах (сплошная линия — ЭГГ, пунктирная линия — биоимпеданс).
При анализе выяснилось, что параметры не соответствовали нормальному распределению; в анализе использовалась медиана как наиболее устойчивый показатель, не подверженный влиянию артефактов или шума после фильтрации. Для оценки естественной вариабельности каждого параметра дополнительно рассчитывался коэффициент вариации.
- Доминирующая частота (частота, на которой спектр сигнала имеет наибольший пик) в нормогастрическом диапазоне была в среднем ниже при использовании метода биоимпеданса (3,06 мин-1 по сравнению с 3,17 мин-1 при ЭГГ), однако статистическая значимость не достигнута (p=0,07).
- В то же время вариативность биоимпеданса (коэффициент вариации) доминирующей частоты в нормогастрическом диапазоне была значительно выше (0,22 против 0,13 при ЭГГ, p=0,02).
- Доминирующая мощность в нормогастрическом диапазоне была статистически одинаковой для обеих методик (p=0,13).
- При этом для доминирующей мощности в нормогастрическом диапазоне наблюдалась тенденция к большей вариативности для измерений биоимпеданса по сравнению с ЭГГ (0,59 для ЭГГ и 0,69 для биоимпеданса, p=0,055).
Спектры сигналов после БПФ показали влияние высокочастотного шума, вероятно, обусловленного активностью других отделов желудочно-кишечного тракта, дыханием (например, у участников с частотой дыхания менее 10 вдохов в минуту) и другими факторами.
- Относительная площадь высокочастотного диапазона в спектре БПФ (тахигастрический диапазон) была больше для измерений биоимпеданса по сравнению с ЭГГ (0,5 против 0,43, p=0,02).
- В результате биоимпеданс также показал меньший относительный процент активности в нормогастрическом диапазоне по сравнению с ЭГГ (0,38 против 0,45, p=0,01).
- Коэффициент вариации относительной площади в тахигастрическом диапазоне был ниже при использовании метода ЭГГ (0,25 для измерений биоимпеданса и 0,23 для ЭГГ, p=0,045).
Нормо-, бради- и тахигастрическая активность также оценивалась путем подсчета отдельных медленных волн в каждом диапазоне, были получены следующие результаты:
- Нормогастрических медленных волн было меньше для сигнала биоимпеданса по сравнению с ЭГГ (68 % при биоимпедансе и 73 % при ЭГГ, p=0,045).
- Тахигастрических волн было больше при измерении биоимпеданса, чем при ЭГГ. Повышенная активность в высокочастотном диапазоне не достигла статистической значимости (31 % для биоимпеданса и 27 % для ЭГГ, p=0,07).
- Брадигастрическая активность была низкой и практически одинаковой для обеих методик (0,35 % для ЭГГ и 0,34 % для биоимпеданса, p=0,6).
Если рассматривать процент времени, проведённого в каждом диапазоне активности, как альтернативу подсчету количества волн, то статистически значимых различий между методами не выявлено.
Корреляция параметров, полученных при анализе коротких временны́х отрезков (по 3,5 мин с перекрытием 2,5 мин), в целом была слабой. Частотные спектры двух методов совпадали примерно в половине случаев, демонстрируя умеренную степень согласованности. Временны́е сигналы, ограниченные нормогастрическим диапазоном (1–5 мин
-1), показывали низкую, но значимую корреляцию. Частота, рассчитанная по расстоянию между соседними медленными волнами, демонстрировала умеренное совпадение между методами.
Обсуждение
Теоретически частотное разрешение при длине записи 3,5 минуты составляет около 0,3 мин
-1. В данном исследовании данные обрабатывались в диапазоне 0,5–9 мин
-1, но при анализе медленных волн нижняя граница брадигастрического диапазона была сдвинута до 1 мин
-1. Поскольку сигналы ЭГГ и биоимпеданса регистрировались одновременно и обрабатывались одинаково, ожидалось, что их результаты будут совпадать, за исключением различий, вызванных шумом и артефактами.
Анализ двух и более волн улучшает определение частоты в БПФ, поэтому брадигастрия (0,5–2 мин
-1) рассматривалась в рамках границы точности данного эксперимента. При этом в области ниже 1 мин
-1 у обеих методик наблюдался фоновый спектральный подъем, даже при удалении трендов, что, вместе с границей полосового фильтра, создавало ложные пики, не позволяющие надежно интерпретировать брадигастрию по БПФ. Однако, эти искажения были одинаковыми для обеих методик. Площадь под спектром в брадигастрической области (6–7 %) оказалась на порядок выше, чем процент медленных волн в диапазоне 1–2 мин
-1. Эти значения были статистически одинаковыми для обеих методик, что подчеркивает значимость низкочастотных артефактов и необходимость удаления тренда, а также то, что подлинные брадигастрические события лучше отражаются при прямом подсчете волн.
С другой стороны, тахигастрия (4–9 мин
-1) перекрывается с моторикой тонкого кишечника и ободочной кишки, которую могут фиксировать обе методики. Биоимпеданс более чувствителен к этим высокочастотным компонентам, тогда как ЭГГ слабее улавливает деполяризацию в кишечнике из-за анатомии и направленности диполей. Тем не менее, любая моторика вызывает изменения импеданса, и биоимпеданс-методика должна их фиксировать. Таким образом, биоимпеданс демонстрирует большую вариативность доминирующей частоты, мощности и относительной площади тахигастрического диапазона. Это объясняется его чувствительностью к шуму, особенно от других отделов ЖКТ.
При медленном дыхании, не сопровождающемся электрической активностью мышц, ЭГГ остается устойчивым, тогда как биоимпеданс-методика фиксирует дополнительные движения. Даже при нормальном дыхании в состоянии покоя дыхание замедляется, усиливая активность в высокочастотной области спектра биоимпеданса, что сопровождается снижением относительной мощности в нормогастрическом диапазоне.
Эти различия в тахигастрическом вкладе лучше видны по результатам БПФ. Подсчет волн показывает ту же тенденцию, но не достигает статистической значимости. Различия по нормогастрическим волнам сохраняются значимыми. При подсчете волн по времени различий между методами не наблюдается:
p=0,9 (брадигастрия),
p=0,08 (нормогастрия),
p=0,15 (тахигастрия).
Хотя доминирующая частота в нормогастрической области статистически одинакова,
p=0,07 указывает на тенденцию к более низким значениям для измерения биоимпеданса, что может объясняться наличием электрической активности без соответствующей моторики. Доминирующая мощность также статистически не различалась (
p=0,13).
Большинство паттернов медленных волн во временны́х окнах показывают значимую, но слабую корреляцию. Проценты медленных волн (по количеству или времени) статистически одинаковы, кроме нормогастрических волн по числу. Эти показатели являются основой для определения нормальной или патологической активности (нормой считается более 70 % волн в пределах нормального диапазона), что указывает на схожесть обеих методик для клинической оценки нормо- и брадигастрической активности. При этом ЭГГ лучше подходит для оценки тахигастрии.
Следует отметить, что биоимпедансные сигналы имеют сложную природу. В полученных данных фаза обычно повторяет форму модуля, поэтому в настоящем исследовании анализ ограничивался амплитудной составляющей.
Разные источники моторики (для биоимпеданса) и электрической активности (для ЭГГ) в других отделах ЖКТ могут создавать помехи, маскирующие подлинную желудочную активность, причем влияние этих помех может различаться между методиками.
Ограничение произвольных и непроизвольных движений затруднительно, вызывает дискомфорт и может повлиять на моторику. В то же время сонливость тоже влияет на желудочную активность и не гарантирует неподвижности. Тем не менее, разумная оценка моторики возможна с использованием любой из методик, каждая из которых имеет свои преимущества. Измерение биоимпеданса фиксирует моторику напрямую и потому более чувствительно к посторонним движениям. ЭГГ регистрирует электрическую активность, но хуже улавливает диполи с неверной ориентацией или группы компенсирующих друг друга диполей.
В целом, поточечная корреляция между методиками остается низкой как во временной, так и в частотной области, однако глобальные параметры очень близки. При этом биоимпеданс-метод имеет тенденцию переоценивать тахигастрию и недооценивать нормогастрию.
Несмотря на фильтрацию в диапазоне 0,5–9 мин
-1, в сигналах обеих методик заметны шумы от других отделов ЖКТ (например, 9–12 мин
-1 для тонкой кишки и ободочной кишки). Расстояние до источников шума и их случайная ориентация снижают уровень помех, особенно для ЭГГ. Частота дыхания у здоровых взрослых превышает 11 мин
-1, и только при очень медленном дыхании она может влиять на сигнал биоимпеданса в тахигастрическом диапазоне.
С клинической точки зрения, эти различия, хотя и статистически значимы, малозаметны и не мешают взаимозаменяемому применению ЭГГ и измерения биоимпеданса для оценки моторики желудка — за исключением случаев тахигастрии, где предпочтительнее использовать ЭГГ.
Заключение
Как отмечают некоторые авторы, каждая из методик имеет своё чёткое назначение: ЭГГ предназначена для получения информации об электрической активности, тогда как биоимпеданс-метод — для оценки внутренних конформационных изменений. Несмотря на известные ограничения и преимущества обеих методик, подробно описанные в ранее опубликованных работах, и несмотря на очевидное отсутствие детальной корреляции большинства параметров из-за различий в природе измеряемых физических явлений, обе технологии дают схожую клинически значимую информацию — особенно в нормогастрическом режиме, если учитывать глобальные показатели, такие как средняя позиция пика и относительная мощность в нормогастрическом диапазоне спектра мощности.
Подсчет числа медленных волн при измерении биоимпеданса приводит к заниженной оценке нормальной активности, но различий по другим диапазонам или по доле времени в них не наблюдается. Низкочастотный шум влияет на обе методики одинаково, однако биоимпеданс более чувствителен к высокочастотным компонентам (таким как влияние других отделов ЖКТ или медленного дыхания), что ограничивает его применимость для оценки тахигастрической активности.
Назад в раздел
