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Rolle des Stickstoffmonoxidsystems für die Entstehung kurzfristiger Blutdruckschwankungen

Im Gegensatz zum langfristigen Mittelwert des Blutdruckes, der über viele Jahre hinweg nahezu konstant bleiben kann, sind kurz- und mittelfristige Schwankungen des arteriellen Blutdruckes unter physiologischen Bedingungen starken zeitlichen Veränderungen unterworfen. So findet neben der Herzfrequenz, der totalen periphe­ren Impedanz (vergl. 1.4.3 ) und der Atmung, die Aktivität lokaler und zentraler Blutdruckregelsysteme ihren Ausdruck in kurzfristigen Änderungen momentaner Blutdruckwerte [12,247-249]. Neben den Barorezeptoren, von denen seit längerer Zeit bekannt ist, daß sie den Anteil langsamer Blutdruckschwankungen an der Blut­druckvariabilität vermindern können, wurde in der jüngeren Vergangenheit vor al­lem die schubspannungsabhängige Freisetzung von NO als Teil eines lokales Rückopplungssystem untersucht [60,250,251]. Da die Blockade des NO- Systems im allgemeinen von einem Anstieg des systemischen Blutdruckes begleitet ist, konnte in früheren Untersuchungen nicht zwischen den Effekten einer allgemeinen Modulation druckabhängiger Systeme (beispielsweise dem Barorezeptorenreflex) und den Effek­ten unterschieden werden, die für die physiologische Aktivität des NO- Systems ei­gentümlich sind. Um Interferenzen mit den genannten pressorischen Einflüssen zu verhindern, wurde daher das NO- System zunächst pharmakologisch blockiert. An­schließend wurde über die Infusion eines NO- Donors der Blutdruck soweit gesenkt (und die Herzfrequenz angehoben), daß sich die basalen Werte dieser beiden Größen nahezu wieder einstellten. Da die endogene Freisetzung von NO aus dem Endothel unter diesen Bedingungen unterdrückt war, kann von weitgehend konstanten NO- Plasmaspiegeln ausgegangen werden. Durch Registrierung der direkten Blutdrucksi­gnale und eine anschließende Spektrumanalyse konnte nun der Einfluß des NO- Sy­stems auf spezifische Frequenzbereiche der Blutdruckvariabilität quantifiziert wer­den. Die Spektrumanalyse der Durchblutungs - (vergl. Abschnitt 4 ) und Blutdruck­daten wurde auf der Grundlage der digitalisierten Meßwerte durchgeführt. Die Digi­talisierung erlaubt die versuchsunabhängige Analyse und mathematische Bearbeitung der erfaßten Daten, hat aber den Nachteil, daß das stetige Signal durch die Abta­stung in eine Reihe zeitlich äquidistanter Meßwerte überführt wird. Um die bei der AD - Wandlung und der nachfolgenden Bearbeitung entstehenden Fehler zu mini­mieren, wurden folgende Maßnahmen ergriffen:

- Quantisierungsfehler: Die Digitalisierung führt zu einer ungewollten „Rundung“ des Momentanwertes des Meßsignals (beispielsweise des Blutdruckverlaufes) auf [Seite 23↓] ganzzahlig darstellbare Einheiten. Die Größe des Quantisierungsfehlers ist dabei im wesentlichen durch die Auflösung des AD - Wandlers und die Größe des Ein­gangssignales vorgegeben. Daher wurden alle Signale vor der Wandlung driftar­men Analogverstärkern zugeführt und bis in die Nähe der Aussteuerungsgrenze (einstellbar zwischen 1,25V und 10V) des AD - Wandlers verstärkt. Die genutz­ten AD - Wandler arbeiten mit einer Auflösung von 12 Bit. Daraus ergibt sich bei halbmaximaler Aussteuerung ein Quantisierungsfehler von 2-11  ≈ 0,05%. Hinzu kommen Aperture-, Linearitäts-, Offset- und Verstärkungsfaktorfehler, die bei den genutzten AD - Karten zusammen ca. ±0,08% betragen. Daraus errechnet sich ein Gesamtfehler von ≤  0,13%.

- Timingfehler: Da die eingesetzten AD - Karten keine Flash - Konverter besitzen und die Eingänge gemultiplext werden, können die Eingangskanäle nicht gleich­zeitig, sondern nur nacheinander abgetastet werden. Der dadurch entstehende Fehler wurde durch Wahl der AD - Wandler (maximale Zeit zwischen der Wandlung auf Kanal 0 und der Wandlung auf Kanal 15: < 5ns) soweit mini­miert, daß er wegen der im Verhältnis dazu geringen Steilheit der untersuchten Signale (Blutdruck, Durchblutung) vernachlässigbar klein wurde.

- Aliasingfehler: Das stetige Eingangssignal (beispielsweise die Kurve des arteriel­len Druckpulses) wird durch Digitalisierung entsprechend der gewählten Ab­tastfrequenz (SR) auf Einzelwerte reduziert. Die begrenzte zeitliche Auflösung dieses Verfahrens hat zur Folge, daß Teile des Originalsignals - insbesondere schnelle Änderungen - verloren gehen können. So führt beispielsweise die Digita­lisierung einer Sinusschwingung mit ihrer Eigenfrequenz dazu, daß die digitalen Meßwerte stets den gleichen Wert annehmen. Die lineare Interpolation dieser Werte zur Rekonstruktion des Originalsignals ergibt eine Konstante. Folglich führt dieser Fehler nicht nur zum Verlust der Information über den Verlauf des Originalsignals, sondern auch zur Entstehung von Phantomsignalen, die im Origi­nalsignal nicht enthalten waren. Bei Überführung des fehlerhaft digitalisierten Si­gnals vom Zeit - in den Frequenzbereich im Rahmen einer Spektrumanalyse, hat dies die Entstehung von Phantomfrequenzen zur Folge. Solche Fehler lassen sich nur durch eine Bandbreitenbegrenzung des Meßsignals vor der Digitalisierung (beispielsweise durch vorgeschaltete Tiefpaßfilter oder bandbreitenbegrenzte Ver­stärker) in Kombination mit einer adäquaten Abtastfrequenz vermeiden. Eine Ab­schätzung für die minimale Abtastfrequenz ergibt sich aus der Definition der diskreten Fourier - Transformierten eines zeitbegrenzten Signals (DFT):


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Hierin bedeuten:

ω

=

Kreisfrequenz

 

N

=

Anzahl der erfaßten Meßwerte

 

T

=

Abtastintervall = 1/SR

 

f()

=

Funktion des Originalsignals

Offensichtlich hat die Exponentialfunktion der DFT die Periode 2π , so daß die DFT nullsymetrisch und periodisch ist mit ω  = 2π /T = 2π  ∙ SR. Eine Überlage­rung einzelner Teile des Spektrums kann folglich nur vermieden werden, wenn die höchste im Meßsignal vorkommende Frequenz fmax kleiner als SR/2 ist. Für nicht sinusförmige Meßsignale (Blutdruck, Durchblutung) ist diese Abschätzung, basierend auf der Herzfrequenz (HF), nicht ausreichend, weil der nicht - sinus­förmige Verlauf durch Überlagerung höherfrequenter Signalanteile entsteht. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb tiefpaßgefilterte Originalsignale auf Band gespeichert, mit verschiedenen SR digitalisiert und anschließend aus den digitalen Daten eine spektrale Rekonstruktion des Originalsignals vorgenommen. Dabei zeigte sich, daß SR, die mindestens das Zehnfache der HF betragen, zu einer hin­reichend guten Übereinstimmung zwischen Original und Rekonstruktion führen. In den Versuchen wurde daher SR = 10 - 20 ∙ Ruhe - HF gewählt.

- Auflösungs- und Stationaritätsfehler: Da die Abtastung des analogen Originalsi­gnals im Zeitbereich nicht stetig erfolgt, ist auch die DFT eine bezüglich der Fre­quenz unstetige Funktion. Aus der Definitionsgleichung der DFT (s.o.) läßt sich der Abstand zweier benachbarter Frequenzen und damit die spektrale Auflösung der DFT ermitteln:

Da ω  = 2π  ∙ f, ergibt sich der Abstand zweier Frequenzen im Spektrum der DFT zu 1/(NT). Die spektrale Auflösung der DFT ist folglich umgekehrt proportional zur Dauer der Messung. Einer Verlängerung der Meßdauer zur Erhöhung der spektralen Auflösung sind bei der Erfassung biologischer Größen jedoch enge Grenzen gesetzt: Die korrekte Ermittlung der DFT setzt voraus, daß es sich bei [Seite 25↓] den zu untersuchenden Größen um stationäre Signale handelt. Ist dies nicht der Fall, dann werden die Spektren aufgeweitet, so daß keine genauen Aussagen über die Frequenzanteile des Originalsignals mehr gemacht werden können. Unter physiologischen Bedingungen kann der Zustand eines biologischen Systems aber nicht als über längere Zeiträume stationär angesehen werden. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit die Dauer der Versuchsphasen so gewählt, daß sich ein möglichst optimaler Kompromiß aus spektraler Auflösung und Stationarität der Signale ergab. Dazu wurde die Originalzeitreihe in sequentielle Teilstücke zerlegt und für jedes Teilstück eine Spektrumanalyse durchgeführt. Durch Vergleich der entstehenden Einzelspektren mit dem Gesamtspektrum ließ sich dabei erkennen, ob wesentliche zeitabhängige Verschiebungen in Bezug auf die Frequenz und/oder die Amplitude des Spektrums während der Untersuchung stattgefunden hatten.

Da für die Rolle des NO- Systems bezüglich der Regulation der Gefäßweite ge­schlechtsspezifische Unterschiede dokumentiert sind, wurde in einem zweiten Teil der Arbeit untersucht in welchem Umfang sich solche Effekte auf die Blutdruckva­riabilität an der wachen freilaufenden Ratte auswirken.

Sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Tieren konnte durch die kontinuier­lich angepaßte Nitroprussidinfusion eine weitgehende Normalisierung von Blutdruck und Herzfrequenz, nach Bolusgabe von NG - nitro- L- arginin- methylester, erreicht werden. Diese „Fixierung“ des endothelialen NO- Systems führte bei beiden Ge­schlechtern zu einer starken Zunahme von Blutdruckschwankungen mit Frequenzen unter 1Hz (Vervierfachung der Power). Im Gegensatz dazu konnte im Frequenzbe­reich zwischen 1Hz und 15Hz, bei geschlechtsspezifisch unterschiedlichen Aus­gangswerten, keine signifikante Änderung der Blutdruckvariabilität ermittelt werden. Allerdings verschwand unter Pharmakagabe die signifikant geringere Blutdruckva­riabilität der weiblichen Tiere im Vergleich zu ihren männlichen Artgenossen. Die Anfertigung sequentieller Spektren zeigte, daß (1) die beobachteten Änderungen für die Dauer des Untersuchungszeitraumes weitgehend stabil waren und daß (2) die Zunahme der Blutdruckvariabilität ganz überwiegend auf Blutdruckschwankungen im Frequenzbereich von 0,2Hz bis 0,6Hz basiert.

Nafz B, Wagner CD, Persson PB: Endogenous nitric oxide buffers blood pressure variability between 0.2 and 0.6 Hz in the conscious rat. Am J Physiol 1997;272:H632-H637


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11.11.2004