Сравнительная оценка функциональных резервов организма человека при действии измененной газовой среды
На правах рукописи
СТРЕЛКОВ Дмитрий Геннадиевич СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РЕЗЕРВОВ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ДЕЙСТВИИ ИЗМЕНЕННОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ 03.00.13 – физиология, 14.00.32 – авиационная, космическая и морская медицина
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук
Москва 2007 г.
Работа выполнена на кафедре нормальной физиологии медицинского факультета Российского университета дружбы народов и в Центре авиакосмической медицины и военной эргономики Государственного научно-исследовательского испытательного института военной медицины МО РФ.
Научные руководители:
заслуженный деятель науки РФ, академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор АГАДЖАНЯН НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ старший научный сотрудник, доктор медицинских наук СТЕПАНОВ ВАЛЕРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ
Официальные оппоненты:
доктор медицинских наук, профессор ЧИЖОВ АЛЕКСЕЙ ЯРОСЛАВОВИЧ доктор медицинских наук, профессор ПУХОВ ВИКЕНТИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Ведущая организация: Государственный научный центр РФ – Институт медико-биологических проблем РАН
Защита состоится «_» 2007 года в _ часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.10 при Российском университете дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо Маклая, д.6.
Автореферат разослан «» 2007 года
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор медицинских наук, профессор Н.В. Ермакова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблема изучения реактивности организма при действии различных экстремальных воздействий приобретает в настоящее время особую актуальность. Ее решение во многом зависит от развития общетеоретических представлений и, в частности, применения системного подхода для решения конкретных задач (У.Р. Эшби, 1959;
Г. Селье, 1972;
Ф.З.
Меерсон, 1993;
Н.А. Агаджанян, 2005 и др.).
В настоящее время считается, что функциональные резервы организма представляют собой потенциальную способность обеспечить жизнедеятельность в необычных или экстремальных условиях, а также совокупность информационных, энергетических и метаболических ресурсов, которые постоянно расходуются на поддержание равновесия между организмом и окружающей средой.
Известно, что углекислый газ является одним из важнейших регуляторов физиологических процессов в организме (И.М. Сеченов, 1883;
П.М.
Альбицкий, 1918;
Дж. Холден, 1937;
И.И. Голодов, 1948;
М.Е. Маршак, 1969;
Н.А. Агаджанян, А.И. Елфимов, 1986;
Н.А. Агаджанян, А.Я. Чижов, 2003 и др.). Считается, что средняя величина РАСО2 равна 40 мм рт. ст. и отклонение от нее приводит к существенному нарушению жизнедеятельности организма.
При этом могут развиваться острые и хронические состояния, которые можно описать как гипокапния и гиперкапния.
Измененная газовая среда используется с целью повышения уровня неспецифической резистентности, в результате чего стимулируется деятельность различных систем организма, принимающих участие в сохранении кислородного гомеостаза (М.М. Миррахимов, 1977;
Н.А.
Агаджанян, 1983;
Р.Б. Стрелков, А.Я. Чижов, 2001;
А.З. Колчинская, 2003 и др.), в комплексной терапии для лечения злокачественных новообразований.
Большое значение придается измененной газовой среде как провоцирующему фактору для оценки функциональных резервов в рамках врачебно-летной экспертизы.
Развивается тактика и стратегия применения фармакологических средств для коррекции гипоксических состояний (Л.Д. Лукьянова, 2007).
При любых экстремальных воздействиях организм стремится к сохранению гомеостаза, и, в первую очередь, – к сохранению приемлемых условий кровоснабжения жизненно важных органов, таких как головной мозг и сердце. В связи с этим, оценка динамики изменения основных параметров деятельности сердечно-сосудистой системы и мозгового кровообращения при различных типах внешних нагрузок, определение характерных для популяции кластерных типажей реакции на сочетанное воздействие различных внешних факторов, а также создание корректных автономных математических процедур прогноза отклика организма на внешнее воздействие для любого конкретного человека, является актуальной и обоснованной.
Важным аспектом изучения адаптивных процессов является создание доступных и информативных физиологических методов комплексной оценки функциональных резервов организма человека при воздействии измененной газовой среды.
Цель исследования: Дать эколого-физиологическую характеристику функциональных резервов организма при действии измененной газовой среды.
В соответствии с целью были определены следующие задачи:
1. Изучить динамику показателей кардиореспираторной системы и мозгового кровотока в измененных условиях газовой среды (респираторные пробы, увеличенное дыхательное мертвое пространство);
2. Дать сравнительную характеристику особенности реакции кардиореспираторной системы организма при действии избыточного внутрилегочного давления без компенсации и с применением внешнего противодавления;
3. Выявить особенности реакции сердечно-сосудистой системы при действии измененной газовой среды в условиях психо-эмоционального напряжения.
Научная новизна. Впервые исследована динамика мозгового кровотока во время проведения различных функциональных проб (произвольная гипервентиляция, нормобарическая гипоксическая гипоксия и гипокси гиперкапния). Оценены физиологические возможности применения дыхательных тренажеров, основным действующим фактором которых является дополнительное дыхательное мертвое пространство и сопротивление дыханию.
Впервые показано, что газовый состав альвеолярного воздуха стабилизируется на определенном уровне вне зависимости от объема дополнительного дыхательного мертвого пространства. Показана возможность оценки вариабельности ритма дыхания при проведении дыхательных проб и его диагностическое значение. Впервые выявлена диагностическая ценность применения метода вариабельности сердечного ритма для оценки характера адаптивных реакций при дыхании под избыточным давлением без компенсации и с применением высотно-компенсирующего костюма. Оценена возможность применения новых математических подходов к обработке сигнала, полученного на основе ЭКГ (представление сигнала в фазовом пространстве координат) в различных условиях. Охарактеризована возможность применения измененной газовой среды и дозированной физической нагрузки в условиях значительного психо-эмоционального напряжения.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты расширяют и углубляют представления об особенностях физиологических механизмов формирования адаптивных реакций кардиореспираторной системы и ее функциональных резервов при воздействии измененной газовой среды.
Разработаны критерии для оценки адаптационных возможностей организма при проведении различных дыхательных проб, а также функционального состояния обследуемого в режиме реального времени. Выявленные критерии оценки функциональных резервов позволяют в перспективе разработать автоматизированную систему прогноза поведения различных физиологических параметров. В качестве практических текущих математических критериев оценки функциональных резервов сердечно-сосудистой системы человека при воздействии различных внешних факторов предложено использовать интегральное время релаксации, функцию минимизации амплитудной и временной дисперсии экстремумов измеряемых физиологических параметров, функцию минимизации дисперсии скорости измеряемых физиологических параметров на фазе возрастания амплитуды.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработан комплекс критериев оценки выполнения функциональных нагрузочных проб с моделированием измененного газового состава вдыхаемого воздуха, что позволяет выявлять индивидуальные типы реагирования человека на гипоксический, гиперкапнический и гипокапнический стимул, оценивать функциональные резервы кардиореспираторной системы и прогнозировать устойчивость к экстремальным условиям деятельности в измененной газовой среде.
2. Выявлено, что оценка динамики ритма дыхания, вариабельности сердечного ритма, а также данных, полученных на основе представления сигнала в фазовом пространстве, дает дополнительную информацию о текущем состоянии испытуемого и позволяет более точно дозировать нагрузку в режиме он-лайн. Показано, что информативными являются не только амплитуда реакции и динамика адаптации к нагрузкам, но и динамика и характерное время релаксационных процессов восстановления организма после нагрузки.
3. Доказано, что мозговой кровоток в средней мозговой артерии меняется в зависимости от парциального давления СО2 в альвеолярном воздухе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи из перечня журналов и изданий, утвержденных Президиумом ВАК России.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит следующие разделы:
введение, обзор литературы, описание материалов и методов исследования, главы собственных исследований, заключение, выводы и практические рекомендации, список использованной литературы и приложения. Работа изложена на 151 машинописном листе, содержит 21 таблицу, 32 рисунка.
Библиографический указатель содержит 260 цитированных работ ( отечественных и 95 иностранных).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Для решения поставленных задач было проведено четыре серии исследований с участием 189 добровольцев, мужчин и женщин в возрасте от до 35 лет. Всего проведено 606 исследований.
Общая характеристика проведенных серий экспериментов показана в таблице 1.
Таблица 1.
Общая характеристика, объем и методы исследований №№ Кол-во Кол-во Серии исследований Методы исследований п.п. обслед. эксперим.
Спирография, оценка Исследование влияния газового состава дополнительного вдыхаемого, дыхательного выдыхаемого и мертвого 1 20 альвеолярного воздуха, пространства на измерение уровня кардиореспираторную сопротивления дыханию, систему ВСР.
Исследование УЗДГ, Реография.
динамики Газовая среда мозгового моделировалась с кровотока и помощью дыхательных 2 71 кардиореспираторной проб, гипоксикатора системы в условиях фирмы «Метакс», измененной газовой барокамеры СБК-80.
среды Исследование влияния Газовая среда избыточного моделировалась с внутрилегочного помощью КПТ-ЭУ, ИД 3 13 давления на кардио- без и с использованием респираторную ВКК. ВСР, АД, Спиро систему метрия, «Фазаграф-М».
«Фазаграф-М», проба Исследование Руфье, ИД, дыхательные особенностей реакции пробы, КПТ-ЭУ, оценка сердечно-сосудистой газового состава 4 85 системы при психо- вдыхаемого, эмоциональном выдыхаемого и напряжении альвеолярного воздуха, ВСР, АД.
Итого 189 *примечание: количество испытателей не равно количеству обследованных в связи, что некоторые испытатели участвовали в нескольких сериях.
Дополнительное дыхательное мертвое пространство (ДМП) создавалось с помощью аппарата «Самоздрав», а также присоединения к газообменной маске разных объемов (жесткая проточная емкость 0.5, 1, 3, 6 и 9 литров).
Показатели гемодинамики средней мозговой артерии (СМА) фиксировали методом ультразвуковой допплерографии (УЗДГ) на аппарате «Ангиодин-2» научно-производственной фирмы «БИОСС».
Измененную газовую среду создавали с помощью стандартных дыхательных проб: проба Штанге, Генча, гипервентиляционная проба, пробы с возвратным дыханием, гипоксической пробы. Гипоксическая газовая смесь (10% О2 в азоте) приготавливалась гипоксикатором «Эверест» фирмы «Метакс». До, в ходе и после каждой пробы непрерывно регистрировались показатели кардиореспираторной системы: функция внешнего дыхания (ЧД, ДО, МОД) оценивалась спирографом «Спиро-спектр» фирмы «Нейрософт», параметры газообмена (PiCO2, PiO2, PACO2, PAO2) фиксировались с помощью инфракрасного капнометра и электрохимического оксиметра фирмы «Нейрософт», фиксировалась ЭКГ в 3-х стандартных отведениях с помощью электрокардиографа фирмы «Нейрософт»;
анестезиологический монитор фирмы «Омид» (г. Ростов-на-Дону) использовался для определения уровня PAСО2, ЧД, ЧСС, SpO2. Объемные показатели внешнего дыхания и показатели газообмена приводились, соответственно, к системе BTPS и STPD.
Вариабельность сердечного ритма (ВСР) оценивалась по стандартным методикам (Баевский, 2003). Артериальное давление измерялось аппаратом СКАД-2 по Савицкому. Обработка данных осуществлялась с помощью программного обеспечения «Поли-спектр». Сопротивление дыханию измерялось с помощью U-образного водяного монометра.
Избыточное внутрилегочное давление создавалось с помощью аппарата КПТ-ЭУ воздухом при нормальном барометрическом давлении.
Для математического анализа адаптивных процессов использовались временные зависимости в координатах изменения амплитуды отклика в зависимости от времени или амплитуды управляющего сигнала. Такой подход для исследования особенностей функционирования сердечно-сосудистой системы человека в измененных условиях реализован в использованном при выполнении диссертационной работы комплексе «Фазаграф-М», разработанном В.В. Вишневским и Л.С. Файнзильбергом для экспресс-оценки функционального состояния. Комплекс основан на методе отображения ЭКГ в фазовом пространстве координат. Основная идея этого метода состоит в том, что на основе обработки временного электрокардиосигнала x=x(f) оценивается его производная, и в координатах х – dx/dt отображается графическая зависимость между амплитудой ЭКГ и ее скоростью изменения во времени (фазовая траектория), что позволяет построить эталонный кардиосигнал.
Психо-эмоциональное напряжение моделировалось и оценивалось на примере сдачи экзаменов студентами ВУЗа. Регистрация состояния сердечно сосудистой системы включала в себя измерение ЭКГ в первом отведении до и после экзаменов.
Статистический анализ данных проводился по стандартным методикам с применением пакета программ Statistica 6.0. Достоверность различий между группами оценивали по t-критерию Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 1. Изучение динамики показателей кардиореспираторной системы в измененных условиях газовой среды.
Поскольку одной из задач работы является изучение динамики показателей кардиореспираторной системы в измененных условиях газовой среды, возникла необходимость создания простого и доступного метода для изменения газового состава дыхательной среды. Таким условиям отвечает дыхательный тренажер «Самоздрав» (Н.А. Агажданян и др.). Стабилизация показателей функции внешнего дыхания (ФВД) при дыхании с дополнительным дыхательным мертвым пространством (ДМП) происходит, как правило, на 3–5 минутах дыхания. По мере увеличения объема ДМП отмечались закономерные изменения ФВД;
данные, полученные на 5-й мин воздействия представлены в табл. 2.
Таблица Динамика показателей ФВД и газоанализа при дыхании через дополнительное дыхательное мертвое пространство (5мин пробы) (M±m).
ДО ЧД МОД PACO2 PAO2 PiCO2 PiO Режим (мм рт.ст.) (мм рт.ст.) (мм рт.ст.) (мм рт.ст.) (л) (дв/мин) (л/мин) Фон 0.73 15.80 11.76 40.36 110.28 1.50 144. (n=20) 0.08 1.50 0.83 1.06 0.24 0.17 0. Самоздрав 1.06 16.89 15.94* 45.70** 89.13** 13.10** 130. +1 л (n=20) 0.12 1.90 1.61 1.02 2.35 0.72 0. Самоздрав 1.36* 15.50 19.43** 45.83* 90.46** 13.50** 130. +3 л (n=16) 0.18 2.51 1.58 1.17 2.48 0.43 1. ДМП 3л 1.21 16.40 20.50** 47.20* 89.87** 15.25** 128.57* (n=7) 0.23 2.04 1.46 1.09 1.41 0.85 1. ДМП 6л 1.48* 15.67 20.81* 46.00* 87.48* 18.85** 121.22* (n=6) 0.16 4.18 2.32 1.00 3.81 0.70 2. ДМП 9л 1.56* 16.81 21.15* 47.00* 85.53* 23.00** 120.06* (n=6) 0.35 1.85 2.51 2.30 4.33 0.87 5. Примечание: достоверные различия с фоном – *р0,05;
**р0, Рост минутного объема дыхания (МОД) у испытуемых (11.76±0. против 19.43±1.58;
р0.01) происходил, в первую очередь, за счет возрастания дыхательного объема (ДО) (0.73±0.08 против 1.36±0.18;
p0.05) и в меньшей степени за счет частоты дыхания (ЧД) (15.80±1.50 против 15.50±2.51;
p0.05), что можно характеризовать как адекватную реакцию со стороны дыхательной системы у испытуемых.
Данные измерения сопротивления дыханию при использовании аппарата «Самоздрав» представлены на рис. 1.
Из представленного рисунка видно, что увеличенное дыхательное мертвое пространство, которое можно создать дополнительными емкостями в аппарате «Самоздрав», практически не влияет на сопротивление внешнему дыханию.
R, мм водн.ст.
режим воздействия 0 1 2 3 4 Самоздрав Самоздрав ДМП 1 л Самоздрав ДМП 3 л Рис. 1. Сопротивление дыханию в зависимости от режима использования аппарата «Самоздрав».
Сопротивление дыханию в режиме использования аппарата с 1-ого по 4 ый находится в физиологических пределах: 20-40 мм водн.ст. Только 5-й режим в независимости от объема мертвого пространства находится в пределах 80-110 мм водн.ст., что можно рекомендовать для тренировки дыхательной мускулатуры.
Проба с гипервентиляцией, гиперкапнией и гипоксией.
Проведенные нами исследования позволили получить ряд данных, характеризующих физиологические возможности организма человека в условиях измененной газовой среды.
На рис. 2 и 3 представлена динамика ФВД при моделировании различной измененной газовой среды.
Состояние гипокапнии в организме (рис.2) создавалось путем произвольной гипервентиляции (ПГВ) без жесткого контроля над величинами МОД и ЧД в течение трех минут. При этом критерием правильного выполнения пробы был контроль за уровнем РАСО2, который осуществлялся в реальном масштабе времени. В конце первой минуты РАСО2 составляла 30 мм рт.ст., к концу второй минуты 20 мм рт.ст. Третью минуту испытатель по команде поддерживал уровень РАСО2 20 мм рт.ст. Фиксировалось время восстановления исходного уровня физиологических функций.
80 70 МОД ЧД ДО восстановление Относительное увеличение 60 показателя ФВД, % проба фон 1 2 3 4 5 6 7 8 время, мин 40 47 51 PАCO2, мм рт.ст. МОД л/мин ЧД РАСО2, мм рт.ст.
Рис. 2. Динамика ФВД при Рис. 3. Динамика ФВД при проведении пробы с произвольной проведении пробы «возвратное гипервентиляцией. дыхание».
Особое значение для исследователей представляет период восстановления. В связи с тем, что в период проведения пробы метаболизм практически не увеличивается, организм испытуемых пытается восстановить должный уровень РАСО2 за счет резкого уменьшения МОД, прежде всего за счет снижения частоты дыхания. Время восстановления уровня РАСО2 к исходному уровню прямо указывает на тяжесть переносимости этой пробы для испытуемого.
Как видно из рис. 3 проба «возвратное дыхание» (ВД) (мешок V=5л) сопровождалась у испытуемых выраженной гипервентиляцией: МОД возрастал в семь раз, причем с начала пробы и до достижения РАСО2 47 мм рт.ст.
преимущественно вследствие увеличения дыхательного объема (в 2 раза);
после дальнейшего увеличения углекислого газа в альвеолярном воздухе МОД продолжал возрастать уже не только за счет увеличения ДО, но и за счет ЧД.
При этом можно констатировать, что уровень РАСО2 до 47 мм рт.ст. – представляет собой физиологическую границу для компенсации дыхательной нагрузки в большей степени за счет ДО, чем ЧД. Этим фактом необходимо пользоваться при даче гиперкапнических нагрузок, как в качестве функциональных тестов, так и в случаях назначения процедур, направленных на нормализацию углекислотного режима организма, перенастройки дыхательного центра, т.е. тех процедур, которые направлены в сторону экономизации функции внешнего дыхания.
Для выявления групп в зависимости от устойчивости к гипоксии была проведена серия исследований, которая заключалась в изучении параметров кардиореспираторной системы на высоте 6500м. Характерной чертой дифференцировки испытателей по степени устойчивости к гипоксической гипоксии (ГГ), является эффективность и экономичность дыхания – возможность быстрого увеличения МОД за счет дыхательного объема. Для устойчивых к ГГ испытателей характерно быстрое увеличение МОД (в 2 раза на этой высоте) только за счет ДО. Испытатели со сниженной устойчивостью к ГГ, медленнее увеличивают МОД, сочетая увеличение ДО с учащением дыхания. При этом отмечается постоянный рост всех компонентов ФВД.
Результаты спектрального анализа ВСР позволили показать, что у лиц с хорошей устойчивостью к гипоксии (1 группа) при действии ГГ несколько увеличивается мощность волн 2-ого (VLF) и, в меньшей степени, 1-ого порядка (LF), происходит возрастание индекса централизации (IC). У второй группы испытателей реакция на действие ГГ, аналогична первой, однако при возникновении тех или иных жалоб – головокружение, головная боль, появление пульсации в висках, чувство жара и т.д., происходит резкое снижение VLF, LF, IC, что возможно указывает на перестройку регуляции и значительное напряжение или, даже срыв адаптивных процессов. У третьей группы испытателей ухудшение самочувствия и прекращение эксперимента по медицинским показаниям в первые 10 минут действия ГГ, по-видимому, определялось срывом адаптивных процессов. При этом сразу же после начала воздействия отмечалось значительное снижение VLF и LF, снижение IC.
На основе обработки временного электрокардиосигнала в фазовом пространстве координат «амплитуда ЭКГ» и «скорость ее изменения во времени» выяснено, что проба с произвольной гипервентиляцией характеризуется резким повышение ЧСС при незначительном изменении коэффициента симметрии Т-зубца в сочетании с аномально низким соотношением вариабельности сердечной ритмики и вариабельности циклов.
Характерным является продолжающееся ухудшение снабжения миокарда в течение минуты после прекращения внешней нагрузки.
По изменениям параметра коэффициента симметрии Т-зубца гипоксическая проба и проба «возвратное дыхание» разнонаправлены. Для гипоксии характерно резкое возрастание этого коэффициента до +40% от индивидуальной нормы (резкое ухудшение кровоснабжения сердечной мышцы), для сочетанного воздействия гипоксии и гиперкапнии характерно уменьшение параметра на 20-30%. Однако, общая динамика поведения коэффициента симметрии Т-зубца при обеих нагрузках, а также идентичная динамика восстановления после нагрузок, позволяет в рамках системного анализа объединить их в одну группу.
2. Динамика линейной скорости мозгового кровотока при проведении различных дыхательных проб В настоящее время транскраниальная допплерография (ТКДГ) может служить методом косвенной оценки церебральной гемодинамики учитывая тот факт, что просвет базальных артерий мозга при физиологических тест нагрузках изменяется незначительно по сравнению с диаметром артерий малого калибра. Таким образом, динамика линейной скорости кровотока (ЛСК) в базальных сегментах отражает, в основном, изменения объемного кровотока в бассейнах соответствующих артерий (В.Б. Семенютин, Д.В. Свистов, 2005).
В табл. 3 приведены сравнительные данные особенности изменения параметров линейной скорости кровотока при выполнении различных функциональных проб.
Из приведенных данных табл. 3 видно, что разнонаправленные по механизму действия тесты дают различную динамику показателей линейной скорости кровотока. Функциональная проба, основным выходом которой было снижение РАСО2 (проба с гипервентиляцией), приводила к снижению средней скорости мозгового кровотока (М), увеличению пульсационного индекса (PI) и индекса сопротивления (RI). Функциональные пробы, при которых отмечалось увеличение РАСО2 (ВД, проба Штанге, Генча), наоборот, приводили к увеличению средней скорости кровотока, снижению PI и RI.
Таблица 3.
Параметры линейной скорости мозгового кровотока при выполнении функциональных проб (последняя минута пробы перед восстановлением) (M±m).
Функциональные пробы Показатели Проба Проба фон ГВ ВД ГГС- Штанге Генча M 93.25 68.75** 120.67* 102.50* 120.25** 113.75** S m 6.06 4.39 4.06 8.22 5.44 7. см/сек M 43.75 19.25** 90.33* 53.00* 80.00** 78.50* D см/сек m 2.59 1.60 9.10 4.14 3.70 11. M 62.25 32.50** 100.33* 70.75 97.75** 89.50** M см/сек m 3.86 1.19 1.67 5.66 3.33 4. M 0.79 1.52** 0.44** 0.70 0.41** 0.40* PI m 0.02 0.14 0.05 0.01 0.05 0. M 0.52 0.72** 0.37* 0.48 0.33** 0.32* RI m 0.01 0.02 0.04 0.01 0.03 0. M 61.25 91.25** 69.33 74.75* 61.75 66. HR уд./мин. m 1.89 5.17 4.06 4.61 9.01 8. *-достоверные различия с фоном;
*р0.05;
**р0. Примечание: ГВ – гипервентиляционная проба;
ВД – «возвратное дыхание»;
ГГС-10 – гипоксическая проба с 10% О2;
На рис. 4 приведены данные, характеризующие значимость различных функциональных проб для оценки вазомоторной реактивности (VMR) бассейна средней мозговой артерии.
Из приведенного рис. 4 видно, что наиболее информативными пробами для оценки вазомоторной реактивности мозговых сосудов являются гипервентиляционная проба (52%) и проба с возвратным дыханием (161%).
Простота использования пробы Штанге и информативность позволяют рекомендовать ее при невозможности применения других проб (ВД и 5-6% смесь СО2). Гипоксическая проба и проба Генча не дают достаточных изменений скоростных показателей мозгового кровотока для оценки вазомоторной реактивности бассейна средней мозговой артерии (114% и 144% соответственно).
161% 157% 144% VMR=109% 114% M% 52% ГВ ВД ГГС 10 проба проба Генча Штанге Рис. 4. Значимость различных функциональных проб для оценки вазомоторной реактивности (VMR) бассейна средней мозговой артерии (М – средняя скорость мозгового кровотока).
Из полученных показателей двух разно направленных проб (ГВ и ВД) был вычислен VMR, который оказался равным 109%, что согласуется с данными зарубежных авторов (P. Huber, J. Handa, 1967). Некоторые авторы сравнивают эффект, полученный от вдыхания газовой смеси, содержащей 5-7% СО2 с пробой Штанге или пробой Генча (Н.П. Митагвария, 1989). Нам представляется, что данные пробы являются схожими по механизму действия, но не равнозначными по эффективности воздействия на регуляторные механизмы и по получаемым результатам. На рис. 5 приведены данные, характеризующие зависимость средней скорости мозгового кровотока и динамики неврологических симптомов от напряжения углекислоты в альвеолярном воздухе.
мм гиперкапния средняя скорость кровотока, см/сек нормокапния выраж енная гипокапния одыш ка некоторое увеличение ЧСС, АД, одыш, ка сниж ение возможно головокруж ение норма выполнение умственной и парастезии, физической физической головокруж ение, бледность работоспо нагрузки без судороги тремор, кожных собности ограничений апноэ, сдвиг ЭЭГ влево, покровов затормож ен потяря судороги кисти ность сознания при письме 15 20 25 30 35 40 45 50 PACO2, мм рт.ст.
Рис. 5. Зависимость средней скорости мозгового кровотока и динамики неврологических симптомов от напряжения углекислоты в альвеолярном воздухе.
Анализ рисунка показывает, что при парциальном давлении РАСО2 в диапазоне от 35 до 45 мм рт. ст. кровоток в средней мозговой артерии меняется незначительно. Это указывает на высокую степень ауторегуляции мозгового кровотока. При превышении 45 мм рт. ст. РАСО2 мозговой кровоток резко возрастает. При снижении ниже 35 мм рт. ст. отмечается достоверное снижение мозгового кровотока. Возможно, это объясняет появление неврологических симптомов, как при гиперкапнии, связанной с дыхательной недостаточностью, так и при гипервентиляционном синдроме (Г.С. Калин, 1973, В.П. Абросимов, 2001;
Н.А. Агаджанян, И.Н. Полунин, В.К. Степанов, В.Н. Поляков, 2001).
3. Изучение динамики функции кардиореспираторной системы при дыхании под избыточным давлением.
В современной авиации дыхание кислородом под избыточным давлением применяется как метод спасения летных экипажей от острой гипоксической гипоксии при аварийной разгерметизации кабин самолетов на высотах свыше 12 км. Также дыхание под избыточным давлением используется как функциональная проба для оценки функционального состояния организма человека (Дворников М.В., Меденков А.А., Степанов В.К., 2001;
Тихонов М.А.
и др., 1983;
Волошин В.Г. и др., 1982).
В соответствии с задачами было проведено исследование динамики показателей функции внешнего дыхания и сердечно-сосудистой системы при дыхании под избыточным давлением без компенсации и при применении высотно-компенсирующего снаряжения.
Оценка спирометрических показателей В доступной нам литературе мы не нашли детальных результатов измерения спирометрических и ритмокардиографических показателей при различных значениях компенсирующего давления высотно-компенсирующего костюма. В первой серии исследовали влияние избыточного давления без внешней компенсации на ЖЕЛ, а также на спирометрические характеристики легких у человека одетого в высотно-компенсирующий костюм ВКК-15 при его стандартной подгонке, т.е. при тех условиях, с которыми летчики встречаются постоянно при полетах на большие высоты. На рис. 6 и 7 представлена динамика изменений спирометрических показателей легких при создании избыточного внутрилегочного давления без компенсации и при применении внешней компенсации.
ЖЕЛ, % ЖЕЛ, % 100 80 60 фон фон в 0,1 атм 0,2 атм 0,3 атм фон ИД 100 ИД 200 ИД ВКК-15 давление в костюме избыточное давление, мм водн.ст.
Рис. 6. Динамика ЖЕЛ при различных Рис. 7. Динамика ЖЕЛ при различных режимах подачи ИД. режимах давления в камерах ВКК-15.
Как видно из рис. 6 некомпенсированное избыточное давление вызывало существенное увеличение ЖЕЛ – до 18%. Увеличение объема легких сопровождается растяжением легочной ткани, что отрицательно сказывается на эластических характеристиках и приводит, в конечном итоге, к снижению функциональных возможностей легких. В штатно подогнанном высотном снаряжении в наших испытаниях (рис. 7) отмечено уменьшение ЖЕЛ на 7%, а минутного объема дыхания на 8%, что совпадает с литературными данными (М.А. Тихонов, 1967). Правильная подгонка костюма препятствует перерастяжению легких при взрывной декомпрессии, а также предотвращает баротравму (И.Н. Черняков, А.А. Шишов, 1995). Существует зависимость между давлением в компенсирующем костюме и ЖЕЛ. По сравнению с фоном ЖЕЛ снизилась на 14% при 0.1 атм., на 27% при 0.2 атм., и на 39% при давлении в костюме 0.3 атм. ЖЕЛ изменялась, прежде всего, за счет снижения резервного объема вдоха (Ровд). При увеличении давления в костюме жизненная емкость легких снижалась также и за счет резервного объема выдоха легких (РОвыд). Это может быть связано с ограничением экскурсии легких при дыхании в компенсирующем костюме.
На рис. 8 показана динамика ЧД у испытателя с правильной и неправильной техникой дыхания под избыточным давлением.
ЧД (движ./мин) о Фон ИД 100 ИД 200 ИД избыточное давление, мм водн.ст.
Необученный испытатель Обученный испытатель Рис. 8. Изменение ЧД при различных величинах ИД у обученного и необученного испытателя.
При обучении дыханию под избыточным давлением ритм дыхания и ДО должен сохранятся на привычном для данного человека уровне. Увеличение частоты дыхания указывает на неэффективную реакцию на данную нагрузку со стороны дыхательной системы (рис. 8). Правильная техника дыхания (ПТД) в условиях избыточного давления необходима для снижения энерготрат, расходуемых на акт дыхания, замедления динамики снижения РАСО2, как было показано (М.В.Дворников, А.А.Меденков, В.К.Степанов, 2001).
Оценка динамики сердечного ритма Во второй серии мы изучали динамику показателей сердечного ритма при дыхании под избыточным давлением.
Применение методики вариабельности сердечного ритма позволила разделить обследуемых испытателей на «устойчивых» и «неустойчивых» к действию ИД (табл. 4).
Группа «неустойчивых» к ИД характеризуется сниженными функциональными резервами перед нагрузочной пробой, резким преобладанием симпатической нервной системы, преобладанием центрального контура регуляции над автономным, а также сниженными адаптационными механизмами в период проведения пробы. Группа «устойчивых» к ИД характеризуется уровнем индекса напряжения – ИН (SI) в физиологических границах нормы, балансом между симпатической и парасимпатической отделами нервной системы, а также адекватными компенсаторными механизмами при действии ИД.
Таблица 4.
Динамика показателей ВСР у обследуемых разных групп при дыхании под избыточным давлением.
Результаты исследования Пок (ИД=300 мм водн.ст. без компенсации) азат ели Устойчивые (n=15) Неустойчивые (n=7) ВСР Фон нагрузка Фон Нагрузка ЧСС 65.3±2.2 87.7±1.5 73.4±1.3 100.9±2.4* SI 122±21.8 210.1±34.1 252.1±12.8 514.8±32.1* TP 3.47±0.4 2.81±0.23 1.92±0.12* 3.84±0. HF 1.16±0.03 0.47±0.01 0.5±0.02 0.11±0. LF 1.21±0.01 1.78±0.12 1.5±0.04 0.13±0.09* VLF 1.43±0.09 1.21±0.03 0.9±0.11 1.71±0.04* IC 2.35±0.07 4.20±0.9 4.83±0.73 14.07±1.05* LF/HF 1.1±0.1 1.64±0.4 3.82±1.5 6.55±2.21* Примечание: *различия между группами, p0. Таким образом, показано, что и противодавление в высотно компенсирующем костюме, и избыточное внутрилегочное давление вызывают значительные изменения, как со стороны объемных характеристик легких, так и со стороны сердечно-сосудистой системы.
Успешным оказалось и применение комплекса «Фазаграф-М» для исследования функциональных резервов сердечно-сосудистой системы при избыточном внешнем давлении. Установлено, что кратковременное воздействие избыточного давления в 100 мм водн.ст. практически не выводит сердце из области индивидуальной нормы. Однако при возрастании нагрузки в 2 раза при практически неизменном ЧСС выявляются экстрасистолы на фоне резкого уменьшения вариабельности сердечной ритмики. Дальнейшее увеличение избыточного давления до 300 мм водн.ст. приводит к резкому уменьшению коэффициента симметрии Т-зубца в 3 раза относительно нормы и срыву адаптации.
4. Особенности реакции сердечно-сосудистой системы при действии измененной газовой среды в условиях психо-эмоционального напряжения.
Решение поставленной задачи удобно реализовывать на модели психо эмоционального напряжения у студентов в период сдачи зачетов и экзаменов.
Изучение воздействия выраженного психо-эмоционального напряжения на устойчивость деятельности сердечно-сосудистой системы у студентов, обучающих по специальности «Лечебное дело» проводилось в период летней и зимней сессии (экзамены по философии, нормальной анатомии, нормальной физиологии). Реакция на экзамен зависела от объема требуемой для сдачи информации, степени психологической значимости и от сложности организации сдачи экзамена.
Как и следовало ожидать, реакция на экзамен по философии была выражена слабее и только у 46% процентов обследуемых. Экзамен по нормальной физиологии и нормальной анатомии характеризовался выраженными изменениями со стороны сердечно-сосудистой системы у всех обследуемых. Характерными изменениями сердечно-сосудистой деятельности являлись увеличение коэффициента симметрии Т-зубца и появление экстрасистол. Интересно отметить, что длительное ожидание ответа оказывалось большим дестабилизирующим фактором, чем сам ответ. При сохранении внешней стабильности пульса (в обоих случаях значения около ударов в минуту), ожидание устного экзамена по нормальной физиологии приводит к изменениям на ЭКГ и выраженному увеличению степени хаотичности сердечной ритмики. Характерная динамика изменения параметров сердечно-сосудистой системы, измеренных комплексом «Фазаграф-М», при действии измененной газовой среды в условиях психо-эмоционального напряжения (после экзамена по нормальной анатомии) на основе дыхательного тренажера «Самоздрав» представлена на рис. 9.
Рис. 9. Характерная динамика изменения параметров сердечно сосудистой системы, измеренных комплексом «Фазаграф-М», при действии измененной газовой среды в условиях психо-эмоционального напряжения.
Из представленного рис. 9 видно, что появление и исчезновение экстрасистол регистрируется через 1-2 минуты после изменений коэффициента симметрии Т-зубца. Этот факт можно использовать для превентивной оценки текущего функционального состояния при переходе организма из стадии компенсации в стадию субкомпенсации. Таким образом показано, что в процессе использования дыхательного тренажера «Самоздрав» после первых 4 х минут хаотизации и ухудшения параметров сердечной ритмики, в дальнейшем у лиц, с достаточным уровнем функциональных резервов, наблюдается общая стабилизация параметров, исчезновение экстрасистол и улучшение питания миокарда.
ВЫВОДЫ 1. В результате комплексных физиологических исследований установлено, что использование дополнительного дыхательного мертвого пространства (в пределах 2-х ЖЕЛ) позволяет моделировать газовый состав вдыхаемого (трахеального) воздуха PiCO2 (мм рт.ст.) в диапазоне от 1.50±0.17 до 23.00±0.87, PACO2 (мм рт.ст.) соответственно от 40.36±1.06 до 47.00±2.30, PiO2 (мм рт.ст.) – от 144.21±0.28 до 120.06±5.87, PAO2 (мм рт.ст.) – от 110.28±0.24 до 85.53±4.33, МОД (л/мин) от 11.76±0.83 до 21.15±2. соответственно, SaO2 практически не менялась, ЧСС (уд./мин) изменялась в пределах от 66.41±2.81 до 94.52±4.12. Показано, что дыхательный тренажер «Самоздрав» позволяет создавать сопротивление дыханию в пределах от до 100 мм водн.ст., а также моделировать газовую среду в следующем диапазоне: PiCO2 (мм рт.ст.) от 5.21±1.48 до 13.50±0.43, PiO2 (мм рт.ст.) от 144.21±0.28 до 130.11±1.35 соответственно.
2. При использовании дыхательных проб с произвольной гипервентиляцией (3мин) и возвратным дыханием (5л) установлено изменение РАСО2:
снижение до 18 мм рт.ст. и увеличение до 53 мм рт.ст. Отмечено, что снижение РАСО2 ниже 30 мм рт.ст. и увеличение более 45 мм рт.ст. приводит к возникновению головокружения, парестезий, тремора, бледности кожных покровов и др. Методом ультразвуковой допплерографии установлено, что средняя линейная скорость мозгового кровотока может снижаться на 48% и увеличиваться на 61% от исходных величин, при этом индекс вазомоторной реактивности (VMR) мозговых сосудов для этого контингента составил 109%, что может считаться нормой для здоровых молодых людей.
3. Установлено, что избыточное внутрилегочное давление величиной в 300 мм водн.ст. приводит к перерастяжению легких, о чем свидетельствует увеличение ЖЕЛ на 18%. Противодавление, создаваемое высотно компенсирующим костюмом ВКК-15 снижает объемные характеристики легких: при давлении на тело 0.1 атм. ЖЕЛ снизилась на 14%, при 0.2 атм. – на 27%, а при 0.3 атм. – на 39%. ЖЕЛ изменялась, прежде всего, за счет снижения резервного объема вдоха. МОД снижался на 8% от исходной величины.
4. На основании анализа вариабельности сердечного ритма и обработки временного электрокардиосигнала в фазовом пространстве координат выявлены критерии устойчивости к избыточному внутрилегочному давлению. Для «неустойчивых» к данному виду нагрузки в период проведения пробы характерно: ЧСС=100.9±2.4 уд./мин, SI=514.8±32.1 у.е., TP=1.92±0.12 ед., IC=14.07±1.05 ед., LF/HF=6.55±2.21, резкое уменьшение коэффициента симметрии Т-зубца в 3 раза.
5. В качестве информативных показателей оценки функционального состояния испытателя в условиях измененной газовой среды среди доступных для автоматической обработки в реальном масштабе времени могут быть рекомендованы следующие показатели, отражающие эффективность регуляторным механизмов сердечно-сосудистой, дыхательной системы, параметров альвеолярного воздуха: – изменения кардиоритма по показателям средней мощности волн второго и первого порядка, критическая величина снижения мощности волн первого порядка ниже 2 ед., – изменение вариационного размаха кардиоинтервалов, снижение меньше 0.1 с. или увеличение свыше 0.45 с., – изменение индекса напряжения, снижение меньше 45 ед. или увеличение свыше 400 ед., – увеличение неравномерности дыхания ИНД, превышающей 25 единиц, – изменение уровня углекислого газа в альвеолярном воздухе: выше 45 мм рт.ст. и ниже 30 мм рт.ст.
6. Проведенные исследования показали нестабильность и повышенную чувствительность сердечно-сосудистой системы студентов к психологической нагрузке. Выраженное психо-эмоциональное напряжение (рассмотренное на примере экзамена) вызывает у студентов увеличение коэффициента симметрии Т-зубца и появление экстрасистол. Длительное ожидание экзамена более значимо, чем сам экзамен и приводит к выраженному увеличению степени хаотичности сердечной ритмики.
Применение дыхательного тренажера «Самоздрав» для группы функционально здоровых обследуемых в спокойных условиях вызывает однонаправленную реакцию: изменение параметров сердечной деятельности в сторону увеличения вариабельности ритмики и вариабельности циклов, 10%-ое снижение коэффициента симметрии Т-зубца, исчезновение экстрасистол.
7. При применении дыхательного тренажера «Самоздрав» в условиях психо эмоционального напряжения (экзамены) у студентов характерны следующие тенденции изменения параметров сердечной деятельности: – увеличение ЧСС на 20-25 %, – увеличение вариабельности ритмики на 100 %, – увеличение вариабельности циклов на 30%, – увеличение соотношения площадей T/R на 30 %, – уменьшения соотношения амплитуд Q/R более чем на 50 %, – уменьшение продолжительности S-зубца на 45%, – уменьшение продолжительности S-T комплекса на 55%, – соотношение площадей P/R практически неизменно. По сравнению с дозируемой физической нагрузкой положительный тренировочный эффект проявляется мягче и характеризуется двукратным увеличением времени выхода из нагрузки.
Практические рекомендации Результаты проведенных исследований динамики кардиореспираторной 1.
системы при применении дыхательных тренажеров могут быть использованы в клинической практике, а также в качестве мягкого неспецифического тренирующего средства в условиях психо эмоционального напряжения.
Выявленные критерии оценки функциональных резервов могут найти 2.
применение при разработке автоматизированной системы оценки состояния организма человека при действии измененной газовой среды, при экспертной оценке и отборе специалистов.
Предложенные дыхательные пробы могут использоваться для определения 3.
вазомоторного резерва мозговых сосудов.
Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе.
4.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Агаджанян Н.А., Шастун С.А., Бяхов М.Ю., Стрелков Д.Г. Сочетанное действие дополнительного сопротивления дыханию, гипоксии и гиперкапнии на функциональные резервы онкологических больных. // Среда обитания и здоровье. Сборник научных трудов. – Москва-Чебоксары. – 2005. – С. 90-96.
2. Степанов В.К., Дворников М.В., Агаджанян Н.А., Маев Э.З., Козырев П.В., Емельянов Б.Н., Виноградов Н.В., Козырева Е.П., Стрелков Д.Г. Опыт лечения гипервентиляционного синдрома в Марфинском центральном военном клиническом санатории. // Вестник восстановительной медицины. – 2006. – № (18). – С. 13-15.
3. Агаджанян Н.А., Торшин В.И., Северин А.Е., Ермакова Н.В., Радыш И.В., Власова И.Г., Елфимов А.И., Шастун С.А., Старшинов Ю.П., Шевченко Л.В., Ходорович А.М., Ломакин Ю.В., Манкаева О.В., Бакаева З.В., Стрелков Д.Г.
Резервы организма и здоровье студентов из различных климато-географических регионов. // Вестник Российского Университета дружбы народов. Сер.
Медицина Физиология. – 2006. – № 2 (34). – С. 37-41.
4. Стрелков Д.Г. Оценка функциональных резервов дыхательной системы организма человека при увеличении дыхательного мертвого пространства. // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 9. – С. 58-59.
5. Стрелков Д.Г., Русейкина О.М. Оценка уровня церебральных гемодинамических резервов при проведении различных нагрузочных проб. // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 9. – С. 59.
6. Подладчикова Т.В., Стрелков Д.Г. Математическое моделирование хронобиологических изменений среднего артериального давления у различных возрастных групп. // Технология живых систем. – 2007. – № 3. – С. 12-20.
7. Стрелков Д.Г. Оценка функциональных резервов кардиореспираторной системы организма человека при действии различных факторов. // Эколого физиологические проблемы адаптации. Материалы XII международного симпозиума. – М. Изд-во: РУДН. – 2007. – С. 422-424.
СТРЕЛКОВ ДМИТРИЙ ГЕННАДИЕВИЧ (РОССИЯ) «Сравнительная оценка функциональных резервов организма человека при действии измененной газовой среды».
В работе приведены результаты исследований особенностей реакции кардиореспираторной системы и мозгового кровотока при действии измененной газовой среды. Оценены физиологические возможности дыхательных тренажеров. Выявлены критерии оценки функционального состояния организма человека при действии измененной газовой среды.
Выявлена информативность вариабельности сердечного ритма для оценки степени компенсации избыточного внутрилегочного давления с помощью высотно-компенсирующего костюма. Показана эффективность применения измененной газовой среды в условиях психо-эмоционального напряжения.
DMITRY G. STRELKOV (RUSSIA) “A comparative assessment of functional reserves of a human organism under influence of a changed atmosphere”.
This work includes the results of researches of the specific reaction of cardiorespiratory system and cerebral blood flow under influence of a changed atmosphere. Physiological capabilities of respiratory trainer are assessed. There are revealed the criteria of an assessment of a functional condition of a human organism under influence of a changed atmosphere. The information value of heart rate variability for assessment of the degree of compensation of intrapulmonic overpressure by means of a height-compensating suit is shown. Effectiveness of using of a changed atmosphere in condition of psycho-emotional tension is also detected.