Электрогастроэнтерография: исследование электрической активности желудка и кишечника

Содержание раздела
Цели и методы исследования моторно-эвакуаторной функции желудочно-кишечного тракта
Расположение электродов при проведении периферической электрогастроэнтерографии
Показания к исследованию моторной функции ЖКТ
Спектральный анализ
Показатели периферической электрогастроэнтерографии
Просмотр и анализ электрогастроэнтерографического сигнала
Вейвлет анализ
Электрогастрография

Цели и методы исследования моторно-эвакуаторной функции желудочно-кишечного тракта
Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) – это одна из наиболее сложных полифункциональных систем. Одной из основных функций ЖКТ является эвакуация переработанной пищи по кишечнику. Благодаря этому происходит механическая обработка пищи, смешивание её с пищеварительными соками, ферментативная обработка, всасывание питательных веществ.

Нарушения сократительной способности желудка и кишечника, либо расстройства ее координации лежат в основе или являются следствием многих патологических процессов, зачастую определяя тяжесть состояния больного и исход заболевания. В связи с этим, изменения моторно-эвакуаторной функции (МЭФ) ЖКТ приходится учитывать как в процессе подбора консервативной терапии, прогнозирования течения основного заболевания, так и при выборе метода операции, оптимальной для данного субъекта.
Условно методы исследования МЭФ можно разделить на две группы:
  • Методы, позволяющие непосредственно регистрировать сократительную активность ЖКТ.
  • Методы оценки моторной функции органов на основе данных, характеризующих их электрическую активность.
К первой группе относятся методы, основанные на непосредственном измерении внутрипросветного давления ЖКТ с помощью баллонов, микродатчиков, радиокапсул, катетеров. Их особенностью является введение инородного тела непосредственно в просвет органа, что приводит к раздражению механорецепторов слизистой и изменяет его моторную активность.

Ко второй группе относятся электрофизиологические методы, основанные на изучении электрической активности ЖКТ. Они базируются на наличии тесных взаимосвязей между электрической и сократительной деятельностью ЖКТ. Эти методы включают в себя как непосредственную регистрацию биопотенциалов гладкомышечных стенок органов с фиксированных на них электродов – прямая электрогастроэнтерография, так и их регистрацию с накожных электродов – периферическая электрогастроэнтерография.

Необходимость имплантировать электроды в стенку органа ограничивает использование прямой электрогастроэнтерографии в клинической практике. К тому же, в ряде работ выявлена достоверная связь между результатами прямой и периферической электрогастроэнтерографии.

При проведении периферической электрогастроэнтерографии измерительные электроды закрепляются либо на поверхности передней брюшной стенки, либо на конечностях. Место крепления референтного электрода определяется используемой методикой исследования и может находиться как на конечностях, так и на поверхности передней или боковой брюшной стенки. При работе с многоканальным электрогастроэнтерографом возможен вариант, при котором часть каналов используется для снятия сигналов с поверхности передней брюшной стенки, а другая часть для снятия сигналов с конечностей.

В мировой практике применяются, в основном, два способа исследования электрической активности:
  • Электрогастроэнтерография (ЭГЭГ) – исследуется одновременно электрическая активность и желудка и кишечника. Реже применяется термин - электрогастроинтестинография.
  • Электрогастрография (ЭГГ) – исследуется электрическая активность только желудка.
Периферическая электрогастроэнтерография неинвазивна, не имеет противопоказаний и хорошо переносится всеми больными. Это позволяет обследовать даже крайне тяжелых пациентов как до операции, так и с первых часов послеоперационного периода. Можно проводить многократные повторные исследования для оценки динамики показателей в процессе лечения.

Расположение электродов при проведении периферической электрогастроэнтерографии
В мировой практике сосуществуют два подхода к исследованию электрической активности ЖКТ с использованием накожных измерительных электродов:

1.    Электрогастроэнтерография (ЭГЭГ) – исследуется электрическая активность желудка и кишечника. В России этот метод развивается, в первую очередь, в РГМУ под руководством В.А. Ступина. Метод реализован в виде двух режимов – суточной ЭГЭГ (измерительные электроды расположены на поверхности передней брюшной стенки) и стандартной 40-минутной периферической ЭГЭГ (электроды расположены на конечностях). Возможно также проведение исследования произвольной длительности.

2.    Электрогастрография (ЭГГ) – исследуется электрическая активность только желудка. В основе метода лежит исследование сигнала с поверхности передней брюшной стенки и выявление доминирующей частоты электрической активности желудка.
Расположение электродов при проведении ЭГЭГ
1-й вариант – стандартная 40-минутная периферическая электрогастроэнтерография:
  • 1-й активный электрод закрепляется на правой руке пациента, ближе к кистевому суставу;
  • 2-й активный электрод закрепляется на правой ноге пациента, на передней части голени, где нет мышц и сухожилий;
  • нейтральный электрод закрепляется на левой ноге пациента, на передней части голени, где нет мышц и сухожилий.
Расположение электродов при стандартной ЭГЭГ

Рис. 1. Расположение электродов при стандартной ЭГЭГ

2-й вариант – суточная электрогастроэнтерография по В.А. Ступину (рис. 2):
  • 1-й активный электрод располагается в зоне антродуоденального водителя ритма;
  • 2-й активный электрод располагается в зоне илеоцекального угла;
  • нейтральный электрод закрепляется в левой подвздошной области.
Расположение электродов при суточной ЭГЭГ (по В.А. Ступину)

Рис. 2. Расположение электродов при суточной ЭГЭГ (по В.А. Ступину)

Расположение электродов при проведении электрогастрографии (по Ch. Stendal) (рис. 3)
  • 1-й активный электрод на середине расстояния между пупком и мечевидным отростком;
  • 2-й активный электрод – на 5 см левее и на 45 градусов выше первого;
  • нейтральный – на 10-15 см правее первого.
Расположение электродов при ЭГГ (по Ch. Stendal)

Рис. 3. Расположение электродов при ЭГГ (по Ch. Stendal)

Показания к исследованию моторной функции ЖКТ Особенности периферической ЭГЭГ:
  • неинвазивность;
  • простота исследования;
  • возможность применение различных типов стимуляторов;
  • получение объективной информации об электрической активности и ритмической деятельности всех отделов ЖКТ не только по отдельности, но и во взаимосвязи.
Цели периферической ЭГЭГ:
  • определение типа нарушения – функциональный или механический;
  • выявление локализации поражения (отдел ЖКТ);
  • выбор метода лечения;
  • подбор корректирующей терапии.
Показаниями к исследованию методом периферической ЭГЭГ являются наличие у больных различных признаков нарушения моторной активности ЖКТ.

Одну из групп исследуемых составляют больные с язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки. Можно однозначно утверждать, что нарушения моторики верхних отделов ЖКТ играют немаловажную роль в патогенезе язвенной болезни. Обратимость выявленных моторно-эвакуаторных нарушений является одним из критериев, определяющих дальнейшую тактику ведения больного. При решении вопроса об оперативном лечении адекватная коррекция нарушений МЭФ возможна лишь при наличии исходной объективной информации, которую можно получить методом периферической ЭГЭГ.

Патология тонкой кишки до настоящего времени является областью медицины, где решающую роль в диагностике имеет клинический опыт врача. Ибо даже интестиноскопы, имеющиеся лишь в нескольких учреждениях России, дают информацию лишь об органическом поражении кишки. Функциональные же нарушения, встречающиеся в большинстве случаев, практически не имеют патогномоничной эндоскопической картины. И здесь периферическая ЭГЭГ не имеет аналогов.

В последнее время все большее внимание гастроэнтерологов занимают функциональные нарушения так называемых «зон перехода» (гастроэзофагеальный рефлюкс, дуоденогастральный рефлюкс и др.). Диагностика этих состояний также облегчается при использовании метода периферической ЭГЭГ.

Если вопросы диагностики функциональных нарушений все же как-то решены, то лечение этой группы больных основывается в основном на двух критериях:
  • аннотации фирмы на какой-либо препарат;
  • субъективной оценке больного: - «Спасибо, доктор, стало лучше!».
В такой ситуации периферическая ЭГЭГ, давая возможность проведения многократных исследований, позволяет не только осуществлять подбор препарата, адекватно корректирующего имеющиеся нарушения, но и контролировать в динамике восстановление МЭФ.

В абдоминальной хирургии довольно часто ряд функциональных нарушений желудочно-кишечного тракта приходится дифференцировать с механической природой заболевания (спастическая и странгуляционная кишечная непроходимость, послеоперационный парез кишечника и ранняя спаечная непроходимость кишечника и др.). В этих ситуациях подчас решающим для сохранения жизни больного становится фактор продолжительности диагностики. И здесь стандартное 40 минутное исследование с использованием периферической ЭГЭГ может помочь поставить все точки над «i».

Исследования последних лет показали, что послеоперационный парез кишечника, которым страдают ~65% больных, перенесших лапаротомию, может быть обусловлен различными факторами:
  • нарушениями электрической активности как одного, так и нескольких отделов ЖКТ;
  • нарушениями ритмической деятельности как одного, так и нескольких отделов ЖКТ.
Ни один из имеющихся методов диагностики, кроме периферической ЭГЭГ, в настоящее время не может дать такой информации.
Спектральный анализ
Электрогастроэнтерографический сигнал исследуется различными методами, в том числе с помощью линейной фильтрации, спектрального анализа, вейвлет анализа и др., которые являются основными операциями цифровой обработки сигналов.

Спектром сигнала называется разложение сигнала по различным ортогональным системам функций. В настоящей работе в качестве ортогональной системы используются тригонометрические функции: 1, cos(ωt), sin(ωt), cos(2ωt), sin(2ωt), ..., cos(nωt), sin(nωt). Здесь ω – угловая частота, t – время.

Такое разложение можно выполнить с помощью классического дискретного преобразования Фурье (ДПФ). В результате сигнал из временной области преобразуется в частотную, полученные спектральные составляющие показывают величину гармоники, действующей на данной частоте.
Спектральная составляющая сигнала
где:    S(n) – спектральная составляющая в n-ом фильтре ДПФ, n=0,…N-1;
N – число точек ДПФ;
f(k) – полученный в результате дискретизации k-й отсчет сигнала f(t).
Снятый сигнал является нестационарным, поэтому производится вычисление спектра на отрезках сигнала постоянной длительности (4-х или 10-и минутных). Таким образом, методом «скользящего окна» со сдвигом в 1 минуту просматривается всё исследование. Выбор отрезка такой длительности обусловлен тем, что сокращения различных отделов ЖКТ являются низко-частотными, а кажущаяся, на первый взгляд, высокая нестационарность сигнала, является на самом деле результатом сложения многих гармоник.
В пользу этого предположения говорит и тот факт, что все вероятностные характеристики сигнала, при отсутствии артефактов, со временем изменяются очень мало. Кроме этого, такая длительность отрезка обеспечивает хорошее разрешение по частоте спектральных составляющих, что важно при расчёте показателей периферической ЭГЭГ.
Так как для расчёта спектра первого отрезка сигнала нужно, чтобы прошло время, равное длительности выбранного окна (4 или 10 минут), то начало всех графиков спектрального анализа естественно смещается относительно времени начала исследования на длительность выбранного окна.
Показатели периферической электрогастроэнтерографии
Суммарная электрическая активность
Мощность электрического сигнала определяется на основе полученных в результате спектрального анализа данных исследования. Рассчитываются мощности по каждому частотному отделу P(i), т.е. по частотам, характерным для желудка, двенадцатиперстной кишки, тощей кишки и т.д., и суммарная мощность PS, соответствующая всему спектру всех отделов ЖКТ.
Мощность сигнала в i-ом отделе ЖКТ
Суммарная мощность сигнала в ЖКТ
где:     S(n) – спектральная составляющая в n-ом фильтре ДПФ;
k1i – номер фильтра ДПФ, соответствующий минимальной величине частоты i-го частотного отдела;
k2i – номер фильтра ДПФ, соответствующий максимальной величине частоты i-го частотного отдела;
i – номер частотного отдела ЖКТ в орально-каудальном направлении.
В табл. 1 приведены частоты сигналов, характерные для различных отделов ЖКТ.

Таблица 1. Частота колебаний электрической активности различных отделов ЖКТ

Отдел ЖКТЧастота (Гц)Номер частотного отдела ЖКТ в орально-каудальном направлении (i)
Толстая кишка0,01 – 0,035
Желудок0,03 – 0,071
Подвздошная кишка0,07 – 0,134
Тощая кишка
0,13 – 0,183
ДПК0,18 – 0,252

При анализе полученных данных было выявлено, что цифры абсолютной мощности сильно отличаются даже у пациентов с одинаковым диагнозом. Тем не менее, суммарная мощность электрического сигнала (суммарная электрическая активность) позволяет:
  • оценить уровень базальной электрической активности (у больных с парезами кишечника, с запущенной формой кишечной непроходимостью и др. этот показатель достоверно остаётся низким);
  • выявить динамику изменений при стимуляции.
Относительная электрическая активность
В отличие от абсолютных, достоверно стабильными оказались относительные показатели электрической активности Р(i)/PS. Этот показатель представляет собой отношение абсолютных значений электрической активности в каждом отделе ЖКТ к суммарной активности.
Набор этих пяти показателей Р(i)/PS и является основным при расшифровке данных периферической ЭГЭГ.
Коэффициент ритмичности
Следующий показатель моторики ЖКТ – коэффициент ритмичности Kritmi, рассчитывается как соотношение длины огибающей спектра отдела ЖКТ к ширине спектрального участка на оси абсцисс.
Коэффициент ритмичности
где:
S(n) – спектральная составляющая в n-ом фильтре ДПФ;
k1i – номер фильтра ДПФ, соответствующий минимальной величине частоты i-го час-тотного отдела ЖКТ;
k2i – номер фильтра ДПФ, соответствующий максимальной величине частоты i-го час-тотного отдела ЖКТ.
Показатель этот, как было отмечено при проведении экспериментальных работ, довольно точно отражает ритмичность сокращений. Отсутствие ритмичных сокращений – выпадение  их либо учащение, вызывает изменение показателя соответственно в сторону уменьшения или увеличения, в сравнении с показателями здоровых людей.
Коэффициент сравнения
Из нормальной физиологии вытекает, что лишь адекватная работа всех отделов ЖКТ обеспечивает нормальную эвакуацию химуса. Соответственно, это состояние должны характеризовать стабильные показатели соотношений электрической активности отделов ЖКТ. Отсюда появились еще 4 показателя отношения электрической активности вышележащего отдела к нижележащему P(i)/P(i+1).
Нормальные показатели периферической электрогастроэнтерографии
В табл. 2 приведены нормальные показатели периферической ЭГЭГ у здоровых.
Таблица 2. Нормальные показатели периферической электрогастроэнтерографии
Отдел ЖКТ
P(i)/PS, (%)P(i)/P(i+1)
Kritm
Желудок22,41±11,210,4±5,7
4,85±2,1
ДПК2,1±1,20,6±0,30,9±0,5
Тощая кишка3,35±1,650,4±0,23,43±1,5
Подвздошная кишка8,08±4,010,13±0,084,99±2,5
Толстая кишка64,04±32,01-22,85±9,8

Просмотр и анализ электрогастроэнтерографического сигнала
Разработанный на предприятии «Исток-Система» прибор «Гастроскан-ГЭМ» как раз и предназначен для проведения периферической ЭГЭГ и анализа электрогастроэнтерографического сигнала различными методами, в том числе с помощью линейной фильтрации, спектрального и вейвлет анализа.
Вы можете просмотреть и проанализировать сигналы, характеризующие моторную активность различных отделов ЖКТ, выделенные из снятого сигнала с помощью цифровой полосовой фильтрации.
На рис. 4 представлен график исходного электрогастроэнтерографического сигнала, а на рис. 5 графики этого сигнала после полосовой фильтрации, соответствующие изменениям электрической активности отдельных отделов ЖКТ.

График электрогастроэнтерографического сигнала
Рис. 4. График электрогастроэнтерографического сигнала
График ЭГГ сигнала после цифровой фильтрации
Рис. 5. График ЭГГ сигнала после цифровой фильтрации
На рис. 6 приведен трёхмерный график спектра сигнала. По оси абсцисс (оси частот) показано расположение отделов ЖКТ, по оси ординат – время исследования, по оси аппликат – амплитуда спектра сигнала.

Трёхмерный график спектра сигнала 
Рис. 6. Трёхмерный график спектра сигнала
Вы можете просмотреть графики изменения во времени:
  • суммарной мощности;
  • мощности по каждому отделу ЖКТ;
  • отношения мощности каждого отдела ЖКТ к суммарной мощности (рис. 7);
  • отношения мощности предыдущего отдела ЖКТ к последующему (рис. 8);
  • коэффициента ритмичности (рис. 9);
  • доминирующей частоты;
  • спектр показателей периферической ЭГЭГ.
График изменения во времени P(i)/PS
Рис. 7. График изменения во времени P(i)/PS
График изменения во времени P(i)/P(i+1)
Рис. 8. График изменения во времени P(i)/P(i+1)
График изменения во времени Kritm
Рис. 9. График изменения во времени Kritm
Можете при необходимости просмотреть график, отображающий частотную составляющую, содержащую максимальную амплитуду сигнала в тот или иной момент времени.
Вейвлет анализ
При анализе сложных, нестационарных сигналов, имеющих локальные особенности, спектральный анализ иногда оказывается недостаточно эффективным. Поэтому и был разработан вейвлет анализ – современный и перспективный метод цифровой обработки сигналов, обеспечивающий хорошее разрешение и по частоте, и по времени. Вейвлет преобразование (wavelets) сигнала состоит в его разложении по базису, сконструированному из обладающей определенными свойствами волноподобной функции, а именно:
  • нулевым интегральным значением;
  • хорошей локализацией как во временном, так и в частотном пространстве, т.е. определяются значения на конечном интервале как во временной, так и в частотной областях.
Вейвлет преобразование w(a,b) сигнала f(t) определяется по формуле:
Вейвлет преобразование
где:    Ψ(t) – анализирующий вейвлет;
C – нормализующий коэффициент;
a – масштабный коэффициент;
b – параметр сдвига;
знак * – комплексное сопряжение.
Семейство вейвлет функций  получают из «материнского» вейвлета Ψ(t) путем применения двух операций – сдвига и масштабирования:
Вейвлет функция
где:    Ψa,b(t) – вейвлет функция;
a – масштабный коэффициент;
b – параметр сдвига.
Коэффициенты а и b подобраны нами таким образом, чтобы амплитудно-частотные характеристики семейства вейвлет функций перекрывали диапазон частот от 0,01 до 0,25 Гц.
В качестве «материнского» или анализирующего вейвлета нами выбран вейвлет Морле (Morlet), так как он имеет лучшую локализацию во временном и в частотном пространстве.
Прибор предоставляет возможность рассчитать вейвлет с помощью комплексного вейвлета Морле и синфазной (действительной) составляющей вейвлета Морле. Расчёт вейвлета с помощью комплексного вейвлета Морле требует больше времени, но в результате получаются меньшие фазовые биения.
Для  демонстрации преимущества вейвлет преобразования ниже приведены рис. 10 и 11.
На рис. 10 показан сигнал, состоящий из двух гармонических составляющих с разными частотами, следующие друг за другом и его спектры.
    Вейвлет и спектр сигнала, состоящего из последовательно следующих гармоник
    Рис. 10. Вейвлет и спектр сигнала, состоящего из последовательно следующих гармоник
    а) сигнал;
    б) вейвлет преобразование сигнала, полученное с помощью синфазной составляющей вейвлета Морле;
    в) вейвлет преобразование сигнала, полученное с помощью комплексного вейвлета Морле;
    г) спектр сигнала, полученный с помощью ДПФ.

    На рис. 11 показан сигнал, состоящий из суммы двух гармонических составляющих тех же частот, что и сигнал, представленный на рис. 10, и его аналогичные вейвлеты и спектр.

    Вейвлет и спектр сигнала, состоящего из суммы двух гармоник
    Рис. 11. Вейвлет и спектр сигнала, состоящего из суммы двух гармоник
    а) сигнал;
    б) вейвлет преобразование сигнала, полученное с помощью синфазной составляющей вейвлета Морле;
    в) вейвлет преобразование сигнала, полученное с помощью комплексного вейвлета Морле;
    г) спектр сигнала, полученный с помощью ДПФ.

    Из рисунков видно, что преобразования Фурье не различает, состоит ли сигнал из суммы двух гармоник или гармоник, следующих друг за другом, в то время как на вейвлетах хорошо видны и гармоники, и место их перехода. Отметим, что чистым гармоническим составляющим соответствуют яркие горизонтальные полосы, локальным особенностям (нарушениям гладкости) отвечают вертикальные полосы, выходящие из точки, где находится особенность.
    Электрогастрография
    При проведении ЭГГ основное внимание уделяется отклонению частоты электрической активности желудка от нормы.
    Методика проведения ЭГГ состоит в следующем (Ch. Stendal).
    Электроды располагаются на поверхности передней брюшной стенки.
    Первое исследование проводится на голодный желудок в течение 30-60 минут.
    Второе исследование после приёма пищи в течение 60-90 минут.
    На экран выводится электрогастрограмма в виде спектра, развёрнутого во временной области (рис. 12).

    Спектр электрической активности желудка, развёрнутый во времени
    Рис. 12. Спектр электрической активности желудка, развёрнутый во времени
    Определяется основной параметр – доминирующая частота колебаний сигнала (рис. 13).
    Принимается, что имеет место:
    • нормогастрия – при частоте от 2 до 4 циклов в минуту;
    • брадигастрия – при частоте менее 2-х циклов в минуту;
    • тахигастрия – при частоте от 4 до 10 в минуту.
    Дополнительно вычисляется коэффициент мощности – отношение постпрандиальной к препрандиальной величине мощности ЭГГ-сигнала.

    Доминирующая частота колебаний сигнала желудка
    Рис. 13. Доминирующая частота колебаний сигнала желудка
    Нормальные показатели ЭГГ приведены в табл. 3.
    Таблица 3. Нормальные показатели электрогастрографии 
    До едыПосле еды
    Брадигастрия (%)7,8±2,3
    5,3±1,7
    Нормогастрия (%)84,6±3,689,1±2,6
    Тахигастрия (%)7,4±1,85,6±1,8
    Коэффициент мощности3,4±1,2



    На сайте www.gastroscan.ru в каталоге литературы имеются разделы "Электрогастрография" и "Электрогастроэнтерография", содержащие статьи, посвященные этим методам исследования ЖКТ.
    Некоторые публикации по электрогастроэнтерографии
    Смирнова Г.О., Силуянов С.В. Периферическая электрогастроэнтерография в клинической практике. – Пособие для врачей. / Под ред. профессора В.А. Ступина – М.: 2009 – 20 c.

    Дронова О.Б., Третьяков А.А. и др. Периферическая электрогастроэнтерография в диагностике ГЭРБ. Пособие для врачей / - М.: ИД "МЕДПРАКТИКА-М". 2011. - 32 с.

    Пономарева А.П., Рачкова Н.С., Бельмер С.В., Хавкин А.И. Периферическая электрогастроэнтеромиография в детской гастроэнтерологии. (Методические аспекты) –М. – 2007 г. – 48 с.

    Ступин В.А., Смирнова Г.О., Баглаенко М.В., Силуянов С.В., Закиров Д.Б. Периферическая электрогастроэнтерография в диагностике нарушений моторно-эвакуаторной функции желудочно-кишечного тракта // Лечащий врач. - 2005. - № 2, с. 60-62.


    Индекс цитирования
    Логотип Исток-Системы

    Информация на сайте www.gastroscan.ru предназначена для образовательных и научных целей. Условия использования.