CC BY
55
УДК 57.05:612.29:53.082
Г. Н. Лукьянов, д-р техн. наук, А. А. Воронин, аспирант,
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
Экспериментальные исследования взаимодействия процессов дыхания и сердцебиения
Ключевые слова: колебания температуры, ринологический прибор, кардиоритмоанализатор, взаимодействие дыхательной системы и сердца, спектральный анализ, синхронизация.
Key words: Temperature fluctuations, rhinological device, heartbeat analyzer, interaction between respiratory and cardiovascular systems, spectral analysis, synchronization.
Предстаелены данные экспериментов по совместному изучению колебаний температуры воздуха в носовой полости человека и электрических потенциалов сердца, приведенных к одному определенному временному интервалу. Приведены результаты спектрального анализа указанных процессов для здоровых и больных людей.
Введение
Организм человека по своей природе является сложной, комплексной системой, представляющей собой результат взаимодействия различных систем органов, функционирующих как единое целое. При этом особый интерес вызывает анализ степени данного взаимодействия, учитывая, что выявление определенных соотношений, характеризующих взаимосвязь в деятельности органов человека, может в будущем существенно повысить возможности раннего диагностирования патологических изменений за счет вовлечения в процесс обследования большего количества составляющих, выявления отклонения качества их взаимодействия от некоторого нормированного значения. Ритмы дыхания и их связь с сердечным ритмом исследуются [1], но высокочастотные составляющие этих ритмов [2—4] не измеряются и не принимаются во внимание.
Основная часть
В рамках проводимого исследования был произведен совместный анализ деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем организма человека по полученным измерениям температуры
вдыхаемого/выдыхаемого воздуха в носовой полости пациентов, а также данным электрокардиографии.
Измерения необходимых параметров дыхания осуществлялись при помощи многоканального ринологического прибора [2—4], разработанного на кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, позволяющего регистрировать температуру воздуха непосредственно в носовой полости, не искажая при этом естественных характеристик выдыхаемого воздуха. Диагностический элемент прибора — клипса миниатюрных размеров — располагается на перегородке носа, внутри его полостей (рис. 1).
На внешней поверхности правой и левой половинок клипсы находятся датчики, регистрирующие температуру на входе (выходе) в нос. Миниатюрные размеры клипсы и датчиков на ней (общая толщина одной из половин клипсы — менее 4 мм, датчиков — 0,5 мм) сделали возможным диагностирование естественного дыхания внутри полостей носа [2, 3]. Размеры датчиков позволили регистрировать быстрые изменения температуры вдыхаемого/выдыхаемого воздуха, обусловленные сложной внутренней структурой носовых ходов человека. Температура воздуха за время вдоха и выдоха изменяется от температуры окружающей среды до температуры тела человека. Для измерения температуры использованы терморезисторы СТ1-18, отградуированные в диапазоне от 20 до 40 °С.
Изменения температуры, полученные таким образом, приведены на рис. 2.
При проведении экспериментов для получения сигнала электрокардиограммы и последующего его представления на мониторе компьютера использовался кардиоритмоанализатор (далее —
а) 1
б)
Рис. 1
Конструкция клипсы: а — схема; б — общий вид; 1, 2 — датчики (терморезисторы); 3 — клипсы
г, °с
36 35 34 33 32 31 30 29 28
10
20
30
40
50
Время, с
Рис. 2
Типичный график изменения температуры воздуха в ноздре здорового человека
кардиограф) «Эксперт-01» производства научно-производственного объединения «Маркиз», представляющий собой портативный прибор с двумя датчиками, устанавливаемыми на руки пациента. Прибор подключается к компьютеру через последовательный порт [5]
В связи с необходимостью совместного анализа процессов дыхания и сердечной деятельности показания сердечного ритма и изменения температуры воздуха в носовой полости пациентов фиксировались синхронно. Для этого было разработанно программное обеспечение, позволяющее в максимальной степени синхронизировать работу приборов, используемых в ходе эксперимента [6]. Кроме того, регистрация данных производилась до и после определенной нагрузки, идентичной для каждого обследуемого. Реализация данного условия сделала
возможным анализ взаимосвязи механизмов адаптации процессов дыхания и сердечной деятельности к изменениям внешних условий.
Эксперимент проводился в два этапа: показания дыхания и сердечного ритма обследуемого фиксировались в течение 1 мин в положении сидя, а затем в течение еще 1 мин в положении стоя. В том случае, если пациент не мог самостоятельно занять положение стоя, измерения проводились вначале в положении лежа, а затем в положении сидя. Таким образом, удалось обеспечить дополнительную нагрузку на сердечно-сосудистую систему вследствие существенного изменения круга кровообращения при смене положения.
Для исследования взаимосвязи процессов дыхания и сердечных сокращений важно также проанализировать их модификации у людей с различными
3
1
2
2
3
0
биотехносфера
| № 5-Б(17-18)/2011
21
Биомедииинская инженерия
U, мВ
2400
2300
2200
2100
2000
1900
10
20
30
40
50 60 Время, с
Рис. 3
Зависимость температуры воздуха и электрических потенциалов сердца от времени (здоровый человек)
0
дыхательными и сердечными патологическими заболеваниями, поэтому были проведены соответствующие эксперименты с участием десяти здоровых людей и пятнадцати пациентов кардиологического отделения Санкт-Петербургской городской Покровской больницы, у каждого из которых были отмечены значительные патологические изменения деятельности сердца, сопровождающиеся отеками рук и ног, а также отдышкой.
Результаты экспериментов представляют собой зависимости температуры вдыхаемого и выдыхае-
мого воздуха и электрических потенциалов сердца от времени (рис. 3, 4).
Характерный вид результатов совместного измерения температуры воздуха в носовой полости и электрических потенциалов сердца пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы приведен на рис. 4.
Для выявления особенностей взаимодействия дыхательной системы и сердца была рассчитана взаимная спектральная плотность мощности для полученных зависимостей. Это позволило выявить
kard, breath
Рис. 4 | Динамика дыхания и сердцебиения у пациента с заболеванием сердца
/
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
сшах
•ху
5 Е, Гц
Рис. 5
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Взаимная спектральная плотность мощности процессов дыхания и сердечных сокращений у здоровых пациентов
5 Е, Гц
Рис. 6 Взаимная спектральная плотность мощности процессов дыхания и сердечных сокращений у пациентов с заболеваниями сердца. Видно, что амплитуда пика на частоте 2 Гц существенно выше, чем для здорового человека (см. рис. 5)
характерные частоты, на которых происходит взаимодействие дыхательной и сердечно-сосудистой систем пациентов. Выяснилось, что наибольшее взаимодействие происходит на частотах 0,3-0,8 Гц, что соответствует частоте дыхания (рис 5).
При этом у большинства обследованных с заболеваниями сердца были также выявлены характерные частоты взаимодействия на уровне выше 1 Гц, одного герца, однако взаимодействие на этих, более высоких частотах, существенно выше, чем у здоровых людей (рис. 6).
Выводы
Как уже отмечалось, измерения проводились в соответствии с упрощенной модификацией ортоста-тической пробы, которая служит для характеристики функциональной полноценности рефлекторных механизмов регуляции организма и состоит в том, что показания кардиограммы и изменения темпера-
туры выдыхаемого воздуха фиксируются сначала в положении сидя, а затем в положении стоя.
Полученные по результатам исследования зависимости взаимной спектральной плотности мощности от частоты дыхания и сердечных сокращений обследуемых позволяют сделать следующие выводы.
1. Для практически здорового человека характерно наличие сильного взаимодействия дыхательной и сердечно-сосудистой систем на основной частоте дыхания и слабого взаимодействия на более высоких частотах.
2. Для пациентов с заболеванием сердца характерно более сильное взаимодействие на более высоких, чем частота дыхания, частотах.
3. Наибольший пик взаимной спектральной плотности мощности, соответствующий частоте дыхания, у пациента с патологиями сердца, как правило, меньше по амплитуде, что, учитывая более высокие амплитуды пиков на частотах выше 1 Гц, чем у здоровых людей, говорит о возрастании мощности взаимодействия, приходящейся на сердечнососудистую систему.
4. При занятии положения стоя вид зависимости взаимной спектральной плотности мощности у больного человека изменяется более значительно, чем у здорового, и проявляется в увеличении числа характерных пиков и их амплитуды;
Выявленные закономерности можно объяснить существенными нарушениями механизмов регуляции организма человека с патологическими изменениями сердечно-сосудистой системы. В результате таких нарушений взаимосвязь различных систем организма становится менее отчетливой, что проявляется в перераспределении частот взаимодействия дыхания и сердечных сокращений, уменьшении амплитуды мощности этого взаимодействия даже при незначительном изменении положения.
Заключение
Итак, важным результатом проделанной работы можно считать подтверждение гипотезы, предполагающей взаимосвязанное функционирование дыхательной и сердечно-сосудистой систем. В результате осуществления спектрального анализа исследуемых процессов была выявлена весьма четкая их синхронизация на частоте дыхания, а также частотах порядка 2 и 4 Гц, а вывод о наличии синхронизации дыхания и деятельности сердца еще раз подтверждает единство и универсальность самых фундаментальных явлений природы, неотъемлемой частью которой является человек.
Авторы продолжают работу над полученными экспериментальными данными и их обработкой и в ближайшее время предполагают опубликовать модель синхронизации процесса дыхания и деятельности сердца.
1
2
3
4
1
2
3
4
биотехносфера
| № 5-6(17-183/2011
Биомедицинская инженерия
| Литература |
1. http://barvihamed.ru/polyholter/
2. Lukyanov G., Usachev V. Chaotic behavior by the air flow of the breath of human being // Symposium «PhysCon 2003». Saint-Petersburg, Russia, 2003.
3. Лукьянов Г. H., Рассадина А. А., Дранишникова О. А. и др. Исследование тепло- и массообменных характеристик человеческого дыхания // Приборостроение. № 5. 2005. С. 68-73.
4. Рассадина А. А. Измерения и анализ флуктуаций температуры, скорости и давления в каналах нерегулярной формы/ Автореф. дисс... канд. тех. наук. СПб.: СПбГУИТМО, 2007.
5. http://n1.insu.ru/guestbook/gb.php
6. Лукьянов Г. Н., Воронин А. А., Дмитриев И. А., Рыбина Л. А. Приборный комплекс для исследования динамических процессов в человеческом организме // Тр. Третьего конгресса «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке». 20—21 ноября 2009 г., Санкт-Петербург. СПб., 2009. С. 140-144.
/Г
ОАО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА
предлагает:
C. М. Аполлонский, Т. В. Коляда, Б. Е. Синдаловский
БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ Учебное пособие
ISBN 5-7325-0854-6 Объем 263 с. Формат 60x90 V16 Тираж 1000 экз.
»
Рассматриваются медико-биологические основы безопасности жизнедеятельности человека в электромагнитных полях. Описаны и систематизированы источники электромагнитного поля искусственного происхождения в области неионизирующих излучений, рассмотрена электромагнитная обстановка в помещениях и в окружающей среде, изложены концепции механизмов биологического воздействия электромагнитного поля и клинико-физиологические аспекты проявления этого действия, указаны методы и средства защиты человека от воздействия электромагнитного поля, средства измерения параметров электромагнитного поля и рекомендованы методы проведения мониторинга.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, преподавателей, аспирантов, научных и технических работников, а также широкого круга читателей, интересующихся проблемами безопасности человека в электромагнитных полях.
Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации:
Тел.: (812) 571-61-44, 312-53-90; тел./факс: (812) 312-44-95;
e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: www.polytechnics.ru
J
