The evolution of the treadmill test in cardiology: from clinical observation to a global standard of functional diagnostics

Abstract

The article describes the history of the development and implementation of stress tests in cardiology for the diagnosis of coronary heart disease, with a particular attention to the creation, implementation and development of the treadmill test.

Full Text

Вы никогда не купите подержанный автомобиль, не прокатившись на нем и не проверив работу двигателя; это справедливо и для оценки функции сердца.

Доктор Роберт Брюс, 1996 г.

Тредмил-тест, известный и как «нагрузочная проба на беговой дорожке», в 2026 г. «отмечает» 75-летний юбилей. За более чем полувековую историю своего существования этот метод прошел путь от узкоспециализированного исследовательского инструмента до неотъемлемого компонента современной кардиологической практики.

Идея создания тредмила восходит к концу XIX в., когда в 1889 г. немецкий физиолог Натан Цунц совместно с инженером Куртом Леманном сконструировали первую в мире экспериментальную моторизованную беговую дорожку. Этот аппарат представлял собой движущуюся ленту, которую приводил в действие электромотор, где исследователь мог точно задавать скорость ее движения. В 1914 г. доктор Н. Цунц совершил прорыв в области кардиовизуализации, интегрировав в конструкцию своего тредмила рентгеновский аппарат, что впервые в истории медицины позволило визуально определять изменения объема сердца непосредственно во время физической нагрузки, заложив концептуальные основы современной стресс-эхокардиографии (стресс-ЭхоКГ) и радионуклидной визуализации миокарда [1].

До появления тредмил-теста неоднократно предпринимались попытки стандартизировать нагрузку для выявления коронарной недостаточности. Первые наблюдения, касающиеся изменений реполяризации миокарда при нагрузке у пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС), относятся к 1930-м годам [2]. Однако подлинно системным подходом стала двухступенчатая проба Мастера, предложенная в 1940-х годах. В рамках этого метода пациенту предлагалось выполнить строго определенное количество подъемов на две ступеньки за фиксированное время [3]. Несмотря на очевидную простоту и возможность некоторой стандартизации, метод обладал существенными недостатками: малой мощностью нагрузки, невозможностью учета массы тела пациента (кроме табличных поправок) и, главное, отсутствием непрерывного мониторинга во время физической нагрузки: электрокардиограмму регистрировали только до и после проведения пробы, что не позволяло оценить изменения на пике физического усилия. К 1950-м годам стало очевидно, что требуются более физиологичные, стандартизированные и информативные подходы.

Решение данной фундаментальной клинической проблемы найдено в 1951 г. кардиологом Робертом Брюсом (R. Bruce), который в сотрудничестве с биоинженером Уэйном Квинтоном разработал концепцию стандартизированного медицинского тредмила, специально предназначенного для диагностики заболеваний сердца и легких посредством проведения кардиологического нагрузочного теста (рис. 1) [4].

Рис. 1. Р. Брюс проводит тредмил-тест [4].

Fig. 1. Dr. Robert Bruce is performing a treadmill test [4].

Первоначально исследователи использовали созданный ими тредмил для изучения пациентов с ревматическими пороками сердца и легочным сердцем, однако быстро осознали ограниченность одноступенчатого теста с фиксированной скоростью (1,7 миль/ч [2,7 км/ч]) и подъемом 10% [5]. Исследователям требовалась система, позволяющая каждому пациенту достичь своего субъективного максимума усилия.

Теоретический прорыв произошел благодаря исследованиям физиолога Бруно Балке, который в 1954 г. экспериментально установил линейную зависимость: повышение угла наклона беговой дорожки на 2,5% при постоянной скорости 3 мили/ч увеличивает скорость метаболизма человека примерно на величину, равную одному кратному значению его уровня метаболизма в состоянии покоя. Р. Брюс немедленно интегрировал эту концепцию в свой протокол, привязав каждую стадию нагрузки на тредмиле к определенному кратному числу уровня метаболизма в покое, и ввел в оборот термин «метаболический эквивалент нагрузки» (Metabolic Equivalent of Task – MET). Было теоретически обосновано, что все пациенты, преодолевающие заданную ступень протокола на тредмиле, демонстрируют одинаковый уровень MET для своих усилий. Один MET условно приравнивался к потреблению кислорода на уровне 3,5 мл/кг/мин [6].

Многолетняя скрупулезная работа завершилась созданием в 1963 г. стандартизированного алгоритма проведения стресс-теста, который вошел в историю как протокол Брюса [7]. Данный протокол предусматривал ступенчатое увеличение нагрузки с изменением как скорости движения дорожки, так и угла ее наклона. Продолжительность каждой ступени составляла 3 мин, что достаточно для достижения устойчивого состояния гемодинамики. К 1970-м годам протокол Брюса стал абсолютным стандартом кардиологической диагностики и, претерпев некоторые модификации, в настоящее время остается базовым алгоритмом во всем мире.

Новаторство Р. Брюса заключалось не только в графике нагрузки, но и в комплексном подходе к интерпретации обнаруженных изменений. В противовес более позднему увлечению исключительно анализом сегмента ST, доктор Р. Брюс настаивал на важнейшей роли гемодинамических параметров: длительности нагрузки, прироста частоты сердечных сокращений и, особенно, динамики артериального давления. Он описал прогностическую значимость артериальной гипотензии во время физической нагрузки как маркер фиксированного ударного объема и высокого риска неблагоприятных исходов [7].

Параллельно доктор Дж. Ньютон разработал более щадящий протокол для пациентов, не способных выполнить высокие требования нагрузки протокола Р. Брюса [8]. Он применялся и продолжает использоваться для лиц с тяжелыми сопутствующими заболеваниями, ослабленных пациентов, а исследования показали, что протоколы Р. Брюса и Дж. Ньютона одинаково эффективны в выявлении ишемических нарушений у пациентов через 6 нед после инфаркта миокарда (ИМ).

Успех протокола Р. Брюса стимулировал бурное развитие нагрузочного тестирования во всех странах мира. В 1960–1970-е годы наряду с тредмилом широкое распространение получила велоэргометрия. Сложилось определенное «разделение»: в США благодаря культурным особенностям с пропагандой пользы ходьбы и бега преимущественное развитие получил именно тредмил, а в Европе, где популярность велосипеда как средства передвижения и спорта была выше, а оборудование компактнее, доминировала велоэргометрия [9]. Аналогичная ситуация наблюдалась в СССР: советская школа спортивной медицины, физиологии труда и кардиологии отдавала выраженное предпочтение велоэргометрии, т.к. оборудование было более компактным, дешевым в производстве, а отсутствие фазы удара стопы о поверхность (как при беге на тредмиле) существенно снижало количество артефактов при записи электрокардиограммы на чувствительных самописцах того времени. Тредмилы, требующие мощных электродвигателей и значительного пространства, были менее доступны. Кроме того, при подготовке космонавтов и в авиационной медицине велоэргометр позволял легко проводить тестирование в положении лежа [10].

Однако растущая потребность в моделировании максимально физиологически естественного способа передвижения человека (ходьбы) диктовала необходимость внедрения тредмил-тестирования в кардиологических центрах. Решающим катализатором, который радикально расширил диагностическую ценность тредмил-теста в советской клинической практике, стало освоение новых методов визуализации сердца. Исторической вехой в этом контексте является 16 мая 1973 г., когда в стенах Института кардиологии им. А.Л. Мясникова впервые в СССР успешно проведена процедура ультразвукового исследования сердца – ЭхоКГ, что открыло путь к созданию принципиально нового гибридного метода – стресс-ЭхоКГ. Выявление зон локальной гипокинезии, акинезии или дискинезии, возникающих в ответ на дозированный метаболический стресс на беговой дорожке и исчезающих в покое, стало самым чувствительным и специфичным предиктором тяжелого атеросклеротического поражения коронарных артерий. Это наблюдение прочно закрепило тредмил-тест в арсенале российской кардиологии, сделав его краеугольным камнем функциональной диагностики, программ реабилитации после ИМ и обследований в рамках спортивной медицины высоких достижений [11, 12]. К 1980-м годам тредмил-тест окончательно вышел за рамки диагностики только ИБС. Его начали применять при клапанных пороках, врожденных пороках сердца, гипертрофической кардиомиопатии, легочной гипертензии и для стратификации риска аритмий после ИМ [13].

Рубеж XX–XXI вв. ознаменовался пересмотром роли классического тредмил-теста. С одной стороны, широкое внедрение визуализирующих методик (стресс-ЭхоКГ, однофотонной эмиссионной компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии с нагрузкой, ЭхоКГ и магнитно-резонансной томографии с контрастированием [14, 15]) продемонстрировало их более высокую чувствительность и специфичность в выявлении ишемии миокарда. С другой стороны, накопление знаний о патофизиологии острого коронарного синдрома показало, что разрыв бляшки нередко происходит при нестенозирующих (<50%) поражениях, что снижает ценность изолированного поиска ишемии как предиктора ИМ. В этих условиях тредмил-тест перешел в новую фазу функциональной и прогностической оценки для определения толерантности к нагрузке и функционального статуса как предикторов выживаемости, стратификации риска и мониторинга эффективности лечения.

Заключение

В современной кардиологии тредмил-тест – это метод комплексной оценки функционального статуса пациента, позволяющий получить уникальную и многогранную информацию о взаимодействии сердца, сосудов и вегетативной нервной системы в условиях, максимально приближенных к обычной жизнедеятельности. И в России, и во всем мире он остается первым звеном диагностического алгоритма у пациентов со средней вероятностью ИБС, ключевым инструментом реабилитологов и спортивных врачей, а также надежным способом стратификации риска. Будущее метода видится в его интеграции с современными технологиями – телеметрией, компьютерным анализом вариабельности ритма и сочетанным использованием с низкодозовыми визуализирующими протоколами.

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Авторы декларируют соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Все авторы в равной степени участвовали в подготовке публикации: разработка концепции статьи, получение и анализ фактических данных, написание и редактирование текста статьи, проверка и утверждение текста статьи.

Authors’ contribution. The authors declare the compliance of their authorship according to the international ICMJE criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Источник финансирования. Авторы декларируют отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the exploration and analysis work.

Список сокращений

ИБС – ишемическая болезнь сердца

ИМ – инфаркт миокарда

Стресс-ЭхоКГ – стресс-эхокардиография

MET (Metabolic Equivalent of Task) – метаболический эквивалент нагрузки