CC BY
148
УДК 616.12-008-084-07
ДИСКРЕТНЫЙ МОНИТОРИНГ И ТЕЛЕМЕТРИЯ СЕРДЕЧНОГО РИТМА В ПРОЦЕССЕ ИНТЕНСИВНОЙ РАБОТЫ НА КОМПЬЮТЕРЕ АЛЯ ОЦЕНКИ И ПРОФИЛАКТИКИ УТОМЛЕНИЯ И СТРЕССА
С.А. Полевая2, М.М. Некрасова1, Е.В. Рунова2, А.В. Бахчина3,
Н.А. Горбунова1, Н.В. Брянцева1, В.В. Кожевников3, И.С. Шишалов3, С.Б. Парин3,
1ФБУН «Нижегородский научно-исследовательский институт гигиены и профпатологии»,
2ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия»,
3ГОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского - Национальный исследовательский университет»
Полевая Софья Александровна - e-mail: [email protected]
Представлены результаты мониторинга с использованием новой технологии дистанционной диагностики функционального состояния работающих на ПЭВМ в условиях их естественной
деятельности, показаны возможности персонифицированного мониторинга с целью выявления ранних маркеров неблагоприятных состояний для своевременной их коррекции. Полученные данные свидетельствуют о значимости в развитии неблагоприятных состояний начального
состояния и динамики смены вегетативных режимов, которые фиксируются телеметрией. Маркерами истошения регуляторных систем является снижение обшей мошности спектра вариабельности сердечного ритма (ТР) и индекса вагосимпатического взаимодействия (LF/ HF). Ключевые слова: информационный стресс, компьютеры, функциональная диагностика,
телеметрия, вариабельность сердечного ритма..
The results of monitoring with the use of new technology for remote diagnostics of functional status of
persons working at personal computer under real conditions were presented. The possibilities of personal monitoring with the aim of detection of early markers of adverse outcomes and timely correction were shown. The obtained data provided evidence about significance of initial status and dynamics of vegetative regimen changes, which registered by telemetry, in development of adverse outcomes. The markers of regulatory system exhaustion were the decrease of total power of heart rhythm variability spectrum (TP) and vago-sympathetic interaction index (LH/HL).
Key words: information stress, computers, functional diagnostics telemetry, heart rhythm variability..
Введение
Для профилактики стрессового состояния работников с высоким уровнем нервно-эмоционального напряжения актуальной проблемой является совершенствование системы мониторинга функционального состояния организма человека в течение рабочей смены. Проблемой оценки функционального состояния является низкая валидность данных, полученных при стационарных обследованиях [1, 2, 3]. Мониторинг в процессе профессиональной деятельности повышает значимость результатов для анализа влияния производственной среды на организм работающего с целью профилактики неблагоприятного воздействия [4]. Информационный стресс оказывает выраженное влияние на вегетативную нервную систему [5, 6, 7, 8], что позволяет использовать динамику параметров её функционирования для персонифицированной оценки функционального состояния человека-оператора сложных систем.
Цель исследования
Работа посвящена разработке технологии телеметрии для мониторинга сердечного ритма и изучению динамики вегетативной регуляции в условиях интенсивной и продолжительной работы за компьютером.
Материал и методы
В исследовании принимали участие работники, давшие информированное добровольное письменное согласие. Профессиональная группа (рис. 1) состояла из 49 инженеров (31 мужчина и 16 женщин, возраст от 24 до 38 лет, средний стаж работы с ПЭВМ - 6,5±1,5 года).
Все обследуемые занимались умственным трудом, характеризующимся интеллектуальными, сенсорными, монотонными нагрузками, при длительном использовании видеодисплейных терминалов (до 6 ч и более, нередко более 8 ч за смену).
Исследования включали дискретный и непрерывный режимы регистрации физиологических сигналов. Дискретная регистрация показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР) проводилась 3 раза в течение трудового дня: до рабочей смены (с 8:00 до 8:30), в обеденный перерыв (с 11:00 до 11:45), после рабочей смены (с 16:30 до 17:00). Измерения проводили в положении сидя, в течение 5 минут, с помощью программно-аппаратного комплекса «Поли-спектр» (Нейрософт).
Непрерывная регистрация сердечного ритма проводилась в режиме телеметрии в процессе работы (с 8:00 до 17:00). Для непрерывных телеметрических измерений сердечного ритма в условиях естественной деятельности использовалась разработанная нами беспроводная сенсорная сеть [9], состоящая из специализированной сенсорной платформы -Bluetooth Heart Rate (HxM, Zephyr Technology), объединяющей микропроцессор, блок приема-передачи радиосигналов и маломощные миниатюрные датчики ЭКГ. Сенсорная платформа размерами 65х32 мм весит 17 грамм. Конструкция сенсорной платформы обеспечивает надежную фиксацию датчиков на теле человека в соответствии с требованиями эргономики. Передача данных на Smart-phone или персональный компьютер организована по каналу Bluetooth SPP -2,4 ГГц.
РЕАБИЛИТАЦИЯ
РЕАБИЛИТАЦИЯ
Щ
МЕДИЦИНСКИЙ
АЛЬМАНАХ
РИС. 1.
Распределение выборки в соответствии со стажем работы: по оси Х - стаж работы в организации (в годах); по оси У - доля в выборке.
РИС. 2.
Распределение динамики функциональных состояний в течение одного рабочего дня в условиях интенсивной информационной нагрузки в исследуемой группе: по оси Х - коды состояний
(0 - норма, 1 - отклонения от нормы в начале, середине и конце смены, соответственно); по оси У - доля в популяции из 29 человек.
РИС. 3.
Средневыборочное изменение общей мощности вариабельности сердечного ритма (ТР) в течение рабочего дня. * - р<0,05.
Пакеты необработанных данных передаются с интервалом 1 с. Каждый пакет содержит уникальный идентификатор устройства, 15 последних R-R интервалов, время относительно момента начала записи. Предельное расстояние передачи сигнала - 10 м. Для временного накопления и предобработки данных использовано персональное мобильное устройство связи Smart-Phone с операционной системой Android или персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows XP. Последовательности R-R интервалов и спектры вариабельности сердечного ритма, полученные в режиме удаленного доступа по нашей сенсорной сети, полностью соответствуют данным, полученным на стандартном оборудовании «Поли-Спектр» (Нейрософт) и кардиоанализатор «Анкар-131» (Медиком) (р>0,995 по критерию Стьюдента).
Наряду с основными методами анализа ВСР (статистический, спектральный) [10, 11], отражающими разные аспекты состояния систем регуляции, был применен метод непрерывного вейвлет-преобразования и показана его высокая информативность для идентификации функционального состояния.
Статистическая обработка данных осуществлялась с использованием программного пакета Statistica 6.0. Методы обработки данных включали дисперсионный, регрессионный и корреляционный анализ. В анализ включались корреляции с высоким уровнем значимости (р<0,05).
Результаты и их обсуждение
При популяционной оценке измеренных и расчётных показателей вариабельности сердечного ритма (рис. 2) на момент начала рабочего дня выяснилось, что более 85% испытуемых имеют значительные отклонения от нормы [10] таких базовых параметров кардиоинтервалограммы, как общая мощность спектра вариабельности сердечного ритма (ТР), уровень симпатической активности (LF), индекс ваго-симпатического взаимодействия (LF/HF) и, в ряде случаев, уровень парасимпатической активности (HF). Характерно, что выраженность нарушений вегетативной регуляции оказалась статистически значимо (р=0,04) большей в группе со стажем работы 10 и более лет.
К середине рабочего дня выраженность вегетативных нарушений незначительно уменьшалась, однако в конце смены вновь достигала исходных значений. Наиболее существенным было падение показателя общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма (рис. 3), причем средний стаж работников со значимым снижением этого параметра составил 8,3±2,7 года против 5,4±1,5 года (р=0,02) у инженеров с сохранением нормального уровня общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма, при этом в обследуемой возрастной группе достоверных корреляций наблюдаемых отклонений от возраста не выявлено. Эти настораживающие данные подтверждают известный тезис о хронизации стресс-индуцированных нарушений при систематических информационных нагрузках [12].
В целом, регрессионный анализ динамики практически всех базовых показателей, характеризующих вегетативную регуляцию сердечной деятельности, позволил выявить линейный характер связей между этими показателями, зарегистрированными в начале рабочего дня и в его середине, или в середине дня и в конце рабочей смены (рис. 4). Это
свидетельствует о значительной прогностической ценности начальных параметров вегетативной регуляции для оценки уровня работоспособности и стрессоустойчивости опрерато-ров сложных информационных систем на протяжении рабочей смены.
В дальнейшем анализе полученных данных это предположение получило существенное подкрепление. Разделив всю
популяцию обследованных по динамике показателя общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма (рис. 5) на группы с выраженным падением этого показателя к концу смены и сохранением данного интегрального параметра на уровне нормы, мы убедились в возможности прямого прогнозирования динамики функционального состояния испытуемых по уровню начальных показателей регуляции.
При этом наиболее информативными, по нашим результатам, параметрами оказались как нативные (ТР, и), так и структурные и расчетные (1_Р/НР, %1_Р, %ИР, ЧСС, Р-Ртнп, (^NN1) показатели вариабельности сердечного ритма. Например, если в группе, характеризующейся нормальным функциональным состоянием в конце смены, показатели ТР и 1_Р/НР и в начале рабочего дня соответствовали норме (рис. 6), то в группе с выраженным финальным истощением регуляторных ресурсов эти параметры и в начале смены были значимо снижены.
Однако нетрудно заметить, что выявленные в работе закономерности, при всей их ценности, имеют исключительно популяционный, статистический характер. Для персонифицированного мониторинга на втором этапе исследований была использована разработанная нами технология беспроводного неинвазивного мониторинга вариабельности сердечного ритма.
В целом, полученные на этом этапе результаты подтвердили наши предположения. Так, при мониторинге сердечнососудистой системы методом беспроводной связи было отмечено закономерное усиление симпатической активации в регуляции сердечной деятельности: в течение всего рабочего дня у 32,2+8,4% работников, в первой половине рабочего дня - у 25,8+7,9%, во второй половине дня -у 35,5+8,6% работников. В период усиления симпатической активации у 44,8+5,4% сотрудников была зафиксирована экстрасистолия. Также было отмечено, что у лиц, проводящих в середине рабочего дня физкультурную паузу, общее физиологическое напряжение во второй половине рабочего дня было ниже, чем в первой (р<0,01).
Однако в процессе исследования был обнаружен ряд индивидуальных особенностей, не укладывающихся в обобщённую статистическую картину: почти у четверти обследованных характер динамики параметров вегетативной регуляции сердечного ритма при непрерывном мониторинге отличался от усредненных популяционных показателей, полученных при дискретных измерениях. Например, при сходных начальных параметрах вариабельности сердечного ритма (рис. 7) его динамика в течение рабочего дня существенно различалась у двух испытуемых, что в итоге привело к сохранению нормальной регуляторной функции у одного из обследованных (рис. 7б) и грубым нарушениям регуляции сердечной деятельности - у другого (рис. 7а).
Эти данные еще раз подтверждают необходимость развития телеметрических диагностических систем для персонифицированного мониторинга.
РИС. 4.
Линейный характер корреляций между значениями показателей ВСР в начале и середине рабочего дня (А), в середине и в конце рабочего дня (Б).
РЕАБИЛИТАЦИЯ
РЕАБИЛИТАЦИЯ
МЕДИЦИНСКИЙ
АЛЬМАНАХ
РИС. 5.
Соотношение начальных значений спектральных показателей ВСР (А), показателей, отражающих структуру (Б), расчетных показателей (В) в группе с ухудшением функционального состояния по показателю общей мощности (ТР 1) и в группе с нормальными значениями (ТР 0) в конце рабочей смены. * - р<0,05.
РИС. 6.
Динамика изменений показателя общей мощности спектра (ТР) и индекса вагосимпатического взаимодействия (№/ИГ) в течение рабочей смены.
РИС. 7.
Телеметрия динамики индекса вегетативного баланса в течение рабочего дня. А-исходное состояние в норме: в конце рабочеого дня ухудшение функционального состояния; Б - в начале и в конце рабочего дня состояние в норме. 1-временная диаграмма индекса вегетативной регуляции; по оси - время суток, по оси - индекс вагосимпатического взаимодействия; II- частотно-временная динамика (вейвлет) сердечного ритма в конце рабочего дня.
Заключение
Полученные данные указывают на развитие функционального напряжения и перенапряжения систем регуляции у работников данной профессиональной группы. В возрастной группе от 24 до 38 лет риск развития отклонений не связан с возрастом, а зависит от общего стажа работы в условиях интенсивных информационных нагрузок. Результаты исследования позволили применить индивидуальный подход при разработке рекомендаций и организации перерывов для снижения нервно-эмоционального напряжения при работе с ПЭВМ.
Использование возможностей беспроводной связи позволяет создавать автоматизированные системы для сбора, регистрации и анализа информации с целью выявления степени функционального напряжения при определенных уровнях производственной нагрузки и обоснования рекомендаций, направленных на профилактику нарушений состояния здоровья.
В целях предупреждения стрессовых состояний, вызванных производственной нагрузкой, необходимо принимать меры по снижению профессионального риска, а также использовать методы оперативного мониторинга за функциональным состоянием работающих.
Работа выполнена при частичном финансировании по гранту ФЦП (соглашение № 14.В37.21.0043).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ydwine J., Derek W. Cardiovascular reactivity in real life settings: Measurement, mechanisms and meaning. Biol Psychol. 2011. № 86 (2). Р. 98-105.
2. Fredrikson M., Blumenthal J., Evans D., Sherwood A., Light K. Cardiovascular responses in the laboratory and in the natural environment: is blood pressure reactivity to laboratory-induced mental stress related to ambulatory blood pressure during everyday life? J Psychosom Res. 1989. № 33 (6). Р. 753-62.
3. Taelman J., Vandeput S., Gligorijeviс I., Spaepen A., Van Huffel S. Time-frequency heart rate variability characteristics of young adults during physical, mental and combined stress in laboratory environment. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011. Р. 1973-6.
4. Zhai J., Barreto A. Stress detection in computer users through non-invasive monitoring of physiological signals.Biomed Sci Instrum. 2006. № 42. Р. 495-500.
5. Mizuno K., Tanaka M., Yamaguti K.,Kajimoto O. Mental fatigue caused by prolonged cognitive load associated with sympathetic hyperactivity. Behavioral and brain functions. 2011. № 7. Р. 1-17.
6. Aubert A., Verheyden B., d'Ydewalle C., Beckers F., Van den Bergh O. Effects of mental stress on autonomic cardiac modulation during weightlessness. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2010. № 298 (1). Р. 202-9.
7. Taelman J., Vandeput S., Vlemincx E., Spaepen A., Van Huffel S. Instantaneous changes in heart rate regulation due to mental load in simulated office work. Eur J Appl Physiol. 2011. № 111 (7). Р. 1497-505.
8. Hjortskov N., Riss n D., Blangsted A., Fallentin N., Lundberg U., Sogaard K. The
effect of mental stress on heart rate variability and blood pressure during computer work. Eur J Appl Physiol. 2004. № 92 (1-2). Р. 84-9.
9. Полевая С.А., Каратушина Д.И., Шемагина о.В., Бахчина А.В.,
Ковальчук А.В., Парин С.Б. Биологическая активность информационных образов в виртуальной компьютерной среде. XV всероссийская научнотехническая конференция «Нейроинформатика-2013»: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. С. 11-20.
10. Вариабельность сердечного ритма: Стандарты измерения, физиологической интерпретации и клинического использования. Рабочая группа Европейского Кардиологического Общества и Северо-Американского общества стимуляции и электрофизиологии. Вестник Аритмол. 1999. № 11. С. 53-78.
11. Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В., Гаврилушкин А.П. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем: метод. рекомендации. Вестник Аритмол. 2001. № 24. С. 65-87.
12. Баевский Р.М., Берсенева А.П., Берсенев Е.Ю. Использование принци-
пов донозологической диагностики для оценки функционального состояния организма при стрессорных воздействиях (на примере водителей автобусов). Физиология человека: журнал РАН. 2009. № 1 (35). С. 41-51. гпи
РЕАБИЛИТАЦИЯ
