CC BY
137
УДК 612.143:613.168
методика оценки индивидуальной метео-и МАгниточувствитЕльности организма человека и ее применение на различных географических широтах
© 2009 г. 1 2Т. А. Зенченко, 1 3А. М. Мёрзлый,
4Л. В. Поскотинова
Институт космических исследований РАН, г. Москва
2Институт теоретической и экспериментальной биофизики, г. Пущино
3Геофизический центр РАН, г. Москва.
4Институт физиологии природных адаптаций УрО РАН, г. Архангельск
К настоящему времени многократно показано [2, 4, 5, 21], что сердечно-сосудистая система (ССС) человека чувствительна к действию магнитных бурь. Так, у 85 % больных, перенесших инфаркт миокарда и страдающих стенокардией, во время геомагнитных бурь выявлялись различные функциональные расстройства — нарушения ритма сердца, подъемы артериального давления (АД), уменьшение вариабельности частоты сердечных сокращений (ЧСС), повышение секреторной активности симпатоадреналовой системы. Кроме того, у пациентов изменялись реологические свойства крови и капиллярного кровотока, усиливалась агрегация эритроцитов с образованием сгустков (сладжей), приводящая к развитию тканевой гипоксии, ишемии [4, 5].
Практически все основные результаты о закономерностях популяционного ответа на действие магнитных бурь были получены на основании анализа многолетних банков данных случаев обращения в службу скорой медицинской помощи [2, 20, 21, 25, 26, 28]. Однако у этого подхода существуют определенные недостатки и ограничения. Так, базы данных случаев обращения содержат принципиальные неточности, например несовпадение первоначального и окончательного диагнозов, или неточное определение даты наступления заболевания, поскольку подобные обращения не всегда следуют в тот же день.
Основным, на наш взгляд, недостатком исследования таких общепопуляционных закономерностей является слабая применимость полученных результатов к каждому конкретному человеку. Анализ индивидуальной динамики АД у пациентов с диагнозом артериальной гипертензии 1 и 2 степени [9] и здоровых волонтеров [8] показал, что в популяции можно наблюдать очень широкий спектр реакций организма на действие геомагнитных бурь и возмущений. Например, характерное время сдвига начала реакции организма относительно момента начала геомагнитного возмущения сильно варьирует для разных людей и может составлять от нуля (синхронная реакция на магнитную бурю) до 3 дней запаздывания. У некоторых людей отмечена достоверная, стабильная и значимая по амплитуде реакция уменьшения показателей АД при возрастании уровня геомагнитной активности (ГМА) [22]. Поэтому с точки зрения профилактики негативных последствий действия магнитных бурь на организм конкретного человека информации о «среднепопуляционных» закономерностях недостаточно. Ведь для пациента с нарушениями функций ССС более актуальным является понимание степени опасности и перечня необходимых профилактических действий лично для него, а не для популяции в среднем.
Было обнаружено, что чувствительность показателей АД к действию ГМА и погодным факторам встречается с соизмеримой частотой в группах пожилых и молодых волонтеров, с признаками симпатикотонии
Целью данной работы является разработка методики мониторинга артериального давления человека для определения степени его индивидуальной чувствительности к метеорологическим и геомагнитным факторам. На основе длительных экспериментов по отработке методики сформулированы требования к мониторингу артериального давления в рамках решения обозначенных задач, проиллюстрирована необходимость и достаточность ежедневных измерений, приведена и обоснована методика калибровочных тестов. Выполнен анализ применимости геомагнитных индексов (локальных и планетарных) и метеорологических показателей к задаче определения индивидуальной метеочувствительности. Приведены основные методы статистического анализа связи физиологических показателей с метеорологическими и магнитными факторами с учетом специфики динамики полученных рядов. Произведена оценка данной методики применимо к условиям высоких широт и обозначены особенности учета метеорологических и геомагнитных условий Севера. Ключевые слова: гелиобиология, метеочувствительность, сердечнососудистая система, мониторинг.
и ваготонии, мужчин и женщин [22, 27]. Единственное достоверное различие обнаружено для категорий больных и здоровых. В настоящее время недостаточно информации, чтобы однозначно ответить на вопрос, от каких особенностей организма зависит наличие и характер такой реакции.
Цель нашей работы — разработка и тестирование методики измерений и последующий статистический анализ, позволяющий делать надежные персональные заключения о наличии зависимости динамики показателей АД от метео- и геомагнитных факторов. Сбор данных по такой унифицированной и оттестированной методике позволит проводить отдельные эксперименты в различное время, в разных географических пунктах, на волонтерах разных возрастных групп. Затем эти результаты будут сохраняться в единой базе данных, содержащей анамнестическую информацию
о волонтерах (пол, возраст, рост, вес, наличие заболеваний, место проживания, представитель коренного населения или приезжий, и т. д.), а также заключение о степени зависимости их физиологических показателей от действия внешних факторов. Такая база необходима как основа будущих исследований общих закономерностей развития эффекта метео- и магниточувствительности у отдельных людей.
Для определения требований, предъявляемых к временным рядам данных, в рамках настоящего исследования решались следующие задачи:
• выявление физиологических показателей организма, наиболее информативных и удобных для мониторинга;
• определение частоты и длительности измерений;
• выбор индексов ГМА и метеорологических показателей для сопоставления с полученными временными рядами измерений в зависимости от географической широты;
• выбор адекватных методов статистического анализа для исследования временных рядов;
• изучение особенностей применения предложенной методики при исследованиях на разных географических широтах.
Материалы и методы
В работе были использованы результаты длительного (80—170 суток) мониторинга (2008—2009 гг.) показателей АД у 37 практически здоровых волонтеров, уроженцев городов Москвы, Архангельска, Ростова-на-Дону и Симферополя (Украина). Возраст волонтеров (26 женщин и 11 мужчин) 19—66 лет.
Собственные показатели систолического и диастолического АД (САД и ДАД) и ЧСС каждый волонтер регистрировал в одно и то же время суток 3-кратно в диапазонах с 8.00 до 10.00 и с 17.00 до 20.00 часов. В данной работе обсуждена целесообразность представления результатов регистрации САД и ДАД в утреннее время. Кроме того, 5 мужчин (Москва) из числа обследованных лиц проводили суточный мониторинг АД и ЧСС в течение 7 суток с регистрацией
показателей каждый час. Регистрацию показателей все волонтеры проводили осциллографическим методом с помощью цифровых измерителей АД и ЧСС («A&D», Япония).
Использовались данные по уровню планетарной и локальной ГМА — А и К-индексы ( Москва; Мурманск для оценки ГМА для Архангельска; планетарный индекс использовался для оценки ГМА в Ростове-на-Дону и Симферополе), размещенные на официальном Интернет-сайте http://www.swpc.noaa.gov/ftpmenu/lists/ geomag.html. Банк данных по трехчасовым значениям всех метеорологических показателей в различных географических пунктах (Москва, Симферополь, Архангельск) был взят с официального сайта http:// meteo.infospace.ru.
Расчеты производили в программной среде MathLab 7.0 посредством стандартных и специально разработанных приложений. Были применены методы оценки нормальности распределений, расчета параметрического и рангового коэффициентов корреляции (r), кросскорреляционной функции, методы полосовой фильтрации, однофакторный, вариационный виды анализа.
Результаты и их обсуждение
Выявление физиологических показателей организма, наиболее адекватных для мониторинга. В ранее проведенных исследованиях сообщалось о реакции на действие магнитных бурь со стороны ССС, а также эндокринной, нервной (центральной и вегетативной) и системы крови [3, 11, 14, 18, 19, 21, 24]. Поэтому задача отбора минимально необходимого перечня физиологических показателей, в полной мере отражающего особенности индивидуальной реакции организма, может быть решена только «методом последовательных приближений» в результате будущего длительного исследования. Приходится также учитывать, что ряд диагностик являются трудоемкими и дорогостоящими, а поэтому исходно мало пригодными для длительного мониторинга.
Мониторинг показателей АД является простым и дешевым методом контроля интегрального состояния ССС организма. Интегральность данного показателя на текущем, начальном этапе исследования можно отнести к числу его достоинств — так, например, мониторинг ЧСС менее пригоден для решения данной задачи в силу более высокой вариабельности данного показателя. Как следствие, результаты измерения ЧСС в большей степени отражают текущее, сиюминутное состояние организма, чем «среднесуточное», что обусловлено его зависимостью в первую очередь от активности адренергических структур — влияния адреналина и норадреналина, которые имеют короткий период биологической полужизни (до одной минуты). В то же время биоритмика АД в большей степени, чем ЧСС, определяется гуморальными и эндокринными факторами внутренней среды, что позволяет наблюдать детерминированную, плавную суточную динамику АД.
Таким образом, за основу разрабатываемой методики был взят метод мониторинга показателей АД. Для определения требований к частоте, длительности и точности измерений были проведены длительные (в течение года) тестовые испытания.
Определение частоты и длительности измерений. В настоящее время врачи соответствующего профиля все чаще рекомендуют схему регистрации показателей АД, при которой измерения производятся троекратно с интервалом в 2—3 минуты, и затем записываются показатели, усредненные по трем измерениям. Было показано, что при мониторинге показателей АД во многих случаях значения первого измерения САД значительно (вплоть до 20 мм рт. ст.) превышают усредненное по трем измерениям [16]. Такие завышенные результаты первого измерения при последующем статистическом анализе могут приводить к искаженным значениям АД и неверным выводам.
Хорошо известно, что динамика АД в норме имеет отчетливый суточный период с двугорбым максимумом днем и минимумом ночью. Суточный период наблюдается и в динамике локальных значений ГМА и метеорологических показателей, в наибольшей степени температуры. Поэтому попытки использовать для оценки метео- и магниточувствительности данные более частых, чем один раз в сутки (в определенное время), измерений многократно повышают риск обнаружения артефактных статистических связей между физиологическими и геофизическими показателями. Так, например, на рис. 1 приведена динамика усредненных по три часа ежечасных измерений САД волонтера А (мужчина, 51 год, Москва), который в рамках эксперимента производил суточное монито-рирование АД непрерывно в течение 7 суток. Видно, что для данного волонтера характерно естественное понижение показателей АД в ночные часы. Однако из графика значений локального московского К-индекса (Кмск, серые столбики) также видно, что из пяти геомагнитных возмущений (заштрихованные столбики) четыре приходятся на время около полуночи. Таким образом, коэффициент корреляции рядов трехчасовых значений АД и Кмск будет отрицательным и достоверным, однако данная корреляционная связь не является причинно-следственной, поскольку колебания каждой из переменных обусловлены своей собственной внутренней ритмикой.
28.11.05 29.11.05 30.11.05 01.12.05 02.12.05 03.12.05 04.12.05
Время, сут
Рис. 1. Динамика трехчасовых значений локального К-индекса станции ИЗМИРАН (г. Троицк, Московской обл.) и усредненных по три часа данных непрерывного мониторинга АД у волонтера А (мужчина, 51 год, г. Москва)
Известно, что реакция организма на действие геомагнитной бури может быть отсрочена на время до трех суток [9]. При этих условиях увеличение частоты измерений с захватом внутрисуточных ритмов приводит к ситуации, когда при каком-либо временном сдвиге в пределах указанного диапазона достоверная корреляция между временными рядами будет обнаружена с очень высокой вероятностью в силу слишком большого числа степеней свободы. Таким образом, использование данных мониторинга с частотой более высокой, чем один раз в сутки, в данной постановке задачи неправомерно.
В то же время, как будет показано далее, значения показателей АД даже здорового волонтера могут испытывать значительные вариации длительностью порядка суток. Измерения реже, чем раз в сутки, могут приводить к потере важной информации о таких скачках. Таким образом, с учетом наблюдавшейся в некоторых случаях запаздывающей реакции организма, оптимальной частотой измерений АД, обеспечивающей необходимую точность и информативность при не очень высоких затратах, является частота один раз в сутки (желательно утром), но обязательно примерно в одно и то же время.
Требования к точности соблюдения времени ежедневного мониторинга определяются особенностями индивидуальной внутрисуточной динамики показателей АД. Например, приведены усредненные по семи последовательным суткам результаты ежечасного мониторинга показателей АД у двух волонтеров (рис. 2). Видно, что у волонтера А показатели АД медленно возрастают в течение нескольких часов после подъема. У волонтера Б АД поднимается в течение часа после подъема и далее в течение нескольких часов остается примерно постоянным. Таким образом, для волонтера А время измерений при мониторинге должно быть через постоянный промежуток времени после подъема, а для волонтера Б допустим разброс от 1 до 4 часов.
А Б
Время суток Время суток
Рис. 2. Примеры усредненного (по семи последовательным суткам) часового мониторинга показателей АД у волонтеров-мужчин А (51 год) и Б (58 лет)
Требования к минимальным длительностям временных рядов данных задаются периодичностью исследуемых геофизических факторов — для надежных выводов интервал измерений должен покрывать 5— 6 периодов изменений. Например, периодичность геомагнитных возмущений в период низкой солнечной активности (т. е. в настоящее время) составляет около
9 суток, для метеорологических факторов — не менее недели. Таким образом, оценка минимальной длины временного ряда дает величину в 50—60 точек.
Выбор индексов геомагнитной активности и метеорологических показателей для сопоставления с временными рядами измерений АД в зависимости от географической широты. Описание смысла и особенностей применения различных индексов ГМА дается в ряде публикациях [7]. Однако при выборе оптимального показателя для характеристики ГМА в решаемой здесь задаче необходимо учитывать три аспекта — физическую адекватность индекса, удобство его использования в статистических расчетах и доступность данных.
Для характеристики уровня ГМА наиболее употребительными являются А и К-индексы, локальные и планетарные. Локальный К-индекс вычисляется индивидуально для каждой геомагнитной станции. Планетарный Кр-индекс является суперпозицией локальных К-индексов 14 среднеширотных геомагнитных станций северного полушария.
Среди отличных по физическому смыслу индексов ГМА нужно отметить Dst и АЕ-индексы (http:// swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstae/index.html), однако их применение ограничено. Часовые значения Dst-индекса позволяют хорошо выделять фазы развития магнитной бури, однако он теряет свою информативность в спокойных геомагнитных условиях и применим только в экваториальных широтах. АЕ-индекс, равный максимальному размаху напряженности магнитного вектора, зарегистрированному в данный момент времени в цепи высокоширотных геомагнитных станций, характеризует уровень геомагнитных возмущений полярной шапки в целом. Значения этого индекса могут не отражать уровень ГМА в точке наблюдения, в том числе в высоких широтах.
Таким образом, значения локального А и К-индексов в точке мониторинга являются наиболее адекватными из существующих показателей уровня Г МА.
Считается, что исчисляемый в единицах напряженности магнитного поля (нанотеслах) линейный А-индекс имеет более прозрачный физический смысл, чем безразмерный логарифмический К-индекс. На самом деле, между ними существует однозначное соответствие. В то же время с точки зрения удобства использования в статистических вычислениях К-ицдекс более предпочтителен, потому что на коротких участках временных рядов, используемых в данной задаче, обычно подчиняется нормальному распределению. А-индекс имеет логнормальное распределение, и при его использовании применимы только непараметрические статистические методы.
Однако использование локальных К-индексов для многих географических локализаций затруднено, потому что геомагнитные измерения либо не ведутся, либо не существуют в открытом доступе.
Поэтому мы показали, что в задаче вычисления степени линейной зависимости ежесуточных по-
казателей АД от ГМА использование локального и планетарного К-индексов дают равнозначные выводы как для Москвы, так и для Архангельска. Так, например, коэффициент корреляции между планетарным Кр-индексом и локальным К-индексом геофизической станции Мурманск, данные которой применимы для оценки уровня ГМА в районе Архангельска, составляет 0,89 по ряду длиной 300 точек (по данным первых девяти месяцев 2008 г.) — рис. 3. Показано также, что коэффициенты корреляции любого из проанализированных в данном исследовании временных рядов показателей АД с локальным и планетарным значениями К-индексов дают очень близкие значения. Например, для рассмотренного ниже волонтера Г коэффициент корреляции значений САД с К-индексом Мурманска составил 0,289, с Кр-индексом — 0,292 (р < 0,01) для обоих случаев.
01.01.08 01.03.08 01.05.08 01.07.08 01.09.08
Дата
Рис. 3. Сравнительная динамика локального К-индекса (г. Мурманск) и планетарного Кр-индекса ГМА в течение 9 месяцев 2008 г.
Таким образом, если значения локального К-индекса ГМА для определенного места проведения мониторинга существуют в открытом доступе в сети Интернет и не содержат пропусков, то желательно использование этого показателя. В противном случае допустимо использование планетарного индекса.
К базовым метеорологическим параметрам, определяющими погоду в данной точке, принято относить температуру, атмосферное давление, влажность и силу ветра. Все эти показатели являются взаимосвязанными, причем характер связи кардинально различается в зависимости от сезона. Например, корреляция между среднесуточными значениями температуры и влажности и в зимние, и в летние месяцы высоко достоверна, но имеет противоположные знаки: положительный зимой и отрицательный летом. Поэтому учет сезонности проведения мониторинга необходим как по причине различного характера взаимосвязи метеорологических факторов, так и из-за возможного различного характера реакции организма.
Анализ показывает, что выбор значений показателей температуры, влажности и атмосферного давления (среднесуточные или соответствующие точно моменту времени измерений) не оказывает влияния на окончательный вывод, поскольку пропорциональность между соответствующими рядами значений очень высокая.
Вариации атмосферного давления имеют медленный характер, суточного периода практически нет
(рис. 4). Динамика температуры в некоторые периоды времени имеет отчетливый суточный период, однако использование выборки трехчасовых значений в одно и то же время суток (например, всегда в 9.00), дает совпадающую кривую.
01.12.02 05.12.02 09.12.02 13.12.02 17.12.02 21.12.02 25.12.02 29.12.02
Время, сут
Рис 4. Динамика трехчасовых показателей атмосферного давления в Москве в течение месяца (серая кривая). Черная кривая соединяет значения, измеренные в 9 утра каждых суток
Установлено, что низкочастотные колебания атмосферного давления практически синхронны (с точностью до суток) на широте Архангельска и Москвы (рис. 5), хотя средние значения различны из-за высоты ландшафта (высота Москвы над уровнем моря составляет 156 м, Архангельска — 8 м). Так, средние значения атмосферного давления в Архангельске и Москве в 2008 году составили
1 010 и 980 гПа соответственно, температуры — 5,4 и 9,8 Со, влажности — 71 и 70 % (уровень статистической значимости более 0,05).
Проанализирована спектральная плотность среднесуточных значений атмосферного давления, температуры и влажности в Архангельске и Москве (рис. 6).
А
1040
Спектры построены по данным за период с 01.01. по 31.10.2008 посредством функции «spectrum» программного пакета Mathlab 6.5, длина лага 128 суток. Видно, что спектры атмосферного давления не различаются, температура в Архангельске испытывает более быстрые вариации, чем в Москве (самый короткий период около 6—7 суток, в Москве его нет). У показателя влажности в Архангельске часть спектральной мощности приходится на периоды меньше пяти суток. Таким образом, можно сказать, что погода в Архангельске изменяется чаще, чем в Москве. Значительные различия наблюдаются в распределениях скорости ветра, что значительно усиливает коэффициент жесткости погоды в Архангельске при сходной временной динамике остальных метеорологических показателей (рис. 7).
В то же время статистические характеристики самих временных рядов метеорологических показателей не различаются, поэтому методика анализа влияния погоды также остается неизменной при применении ее в высоких широтах.
Выбор адекватных методов статистического анализа для исследования временных рядов. С точки зрения статистического анализа ряды измерений показателей АД, анализируемые в данной задаче, практически всегда являются некорректными, т. е. короткими, нестационарными, часто не подчиняющимися нормальному распределению, с пропусками (иногда набор одиночных значений с большими перерывами между измерениями). Поэтому
Б
Время, сут
Сдвиг, сут
Рис. 5. Динамика показателя атмосферного давления в Архангельске (черная линия) и в Москве (серая линия) в течение 2008 г (сглаженные кривые по 10 точкам) — А. Кросскорреляционная функция быстрых вариаций показателей атмосферного давления Москвы и Архангельска (вычтен низкочастотный тренд) — Б
А
Б
В
Период, сут
период, сут
Рис. 6. Спектральная плотность рядов среднесуточных значений атмосферного давления (А), температуры (Б) и влажности (В) в Архангельске (серая сплошная линия) и Москве (черный пунктир)
даже традиционные статистические методы должны применяться очень осторожно.
160
-1 012345678
Скорость ветра, м/с
Рис. 7. Распределение значений скорости ветра в течение 2008 г. в Архангельске и Москве
Обычно ряды значений АД здоровых волонтеров подчиняются нормальному распределению. У пациентов с артериальной гипертензией и нестабильным АД могут быть значительные выбросы в сторону высоких значений, нарушающие нормальность выборки. В последнем случае для выявления корреляции или сравнения выборок должны применяться непараметрические методы.
Для здоровых волонтеров ряд значений АД обычно является стационарным, в противном случае наблюдаемый тренд должен быть вычтен и проанализирован отдельно. Для пациентов, находящихся на гипотензивной терапии, особенно если начало мониторинга совпало с началом нового курса, обычно наблюдается плавное (экспоненциальное) снижение показателей АД. Этот тренд также должен быть вычтен из временного ряда, данного в самом начале анализа.
Как уже было сказано, для выявления характерных метеотропных реакций на температуру и атмосферное давление необходимо, чтобы длительность наблюдений составляла не менее 50 точек. Длина ряда порядка 100 точек позволяет верифицировать полученные результаты на двух независимых участках ряда наблюдений, что повышает надежность вывода.
Вариации АД можно условно разделить на два типа: быстрые и медленные. К быстрым вариациям относятся резкие повышения или понижения значений АД относительно предыдущих суток. Они могут определяться образом жизни человека (характер питания, режим труда и отдыха), либо обусловливаться действием факторов окружающей среды. Поэтому говорить о возможном влиянии какого-либо из анализируемых внешних факторов можно только в случае, когда его вариации закономерно и многократно совпадают с вариациями показателей АД.
Совпадение быстрых вариаций характерно для зависимости показателей АД от уровня ГМА, иногда с отставанием физиологической реакции на срок до 2—3 суток [9]. Медленные вариации проявляются в динамике АД как волны с периодом от 3—4 суток до двух недель. Такие волны могут иметь совсем другой
механизм, вызванный систематическими изменениями в организме. Можно предположить, что такие волны в меньшей степени являются следствием случайных социальных факторов, чем быстрые вариации. Быстрые и медленные вариации во временном ряду значений АД можно разделить процедурой высоко- и низкочастотной фильтрации, причем граница фильтра (согласно спектрам внешних факторов, проанализированных выше), должна быть в районе 4—5 суток.
В предлагаемой методике статистическая надежность каждого персонального заключения о наличии (или отсутствии) чувствительности к внешним факторам обеспечивается корректностью получения результатов измерений АД (методика обоснована выше) и достаточно длинными рядами наблюдений. Выводы же о существовании достоверных различий между определенными группами людей можно будет делать только после накопления в базе данных значительного количества обследованных волонтеров.
Особенности применения предложенной методики мониторинга при исследованиях на разных географических широтах. Одним из важных ритмообразующих факторов влияния на физиологические системы человека в условиях высоких широт является контрастная фотопериодика — наличие полярного дня и полярной ночи. Биоритмологическим фактором, определяющим реактивность организма человека, является мелатонин [15]. На примере Архангельской области показано, что у здоровых лиц концентрация мелатонина в сыворотке крови в декабре в среднем в 3 раза выше, чем в июне — сентябре [13]. Учитывая, что мелатонин является одним из эндокринных факторов, модулирующим активность вазоконстрикторных агентов [10], закономерны полученные результаты о сезонной зависимости реактивности ССС при умственной нагрузке, которая также определялась исходным уровнем мелатонина в крови [12].
Известно, что у северян пределы физиологических колебаний практически всех показателей регуляторных систем либо расширены, либо имеют характер «плавающей нормы» [6]. Широкий спектр климатогеографических факторов Севера, оказывающих влияние на здоровье человека (низкие температуры, контрастная фотопериодика, близость магнитного полюса Земли, нестабильность атмосферного давления, повышенная влажность и нестабильный ветровой режим), может определять и особенности методических подходов и интерпретации полученных результатов исследования. Показано, например, что реактивность подкорковых центров вегетативной регуляции ритма сердца в режиме нагрузки в весенне-летнее время значимо выше, чем в осенне-зимний период [1, 17]. Таким образом, есть значимые предпосылки для разработки специфических подходов для оценки связи космогелиогеофизических параметров и физиологических показателей у жителей высоких широт.
Для иллюстрации использования описанной выше методики был проведен сравнительный анализ результатов
мониторинга показателей АД двух здоровых женщин-волонтеров: волонтера В (41 год, Москва, измерения декабрь 2007 — май 2008 г.) и волонтера Г (38 лет, Архангельск, измерения февраль — май 2008 г.).
У обоих волонтеров значения показателей АД удовлетворяют критериям нормальности и стационарности, вариации значений не выходят за пределы физиологической нормы (для волонтера В среднее значение САД составляло (107 ± 4,8) мм рт. ст., для волонтера Г — (101 ± 4,1) мм рт. ст.).
Для обоих волонтеров обнаружена достоверная (р < 0,05) положительная корреляция значений САД с Кр-индексом. Для волонтера В корреляция показателей АД с Кр-индексом достоверна на протяжении зимнего периода и становится незначимой в весенний период. Расчет коэффициента корреляции между значениями САД и Кр-индексом в скользящем окне по 30 точкам показывает, что момент «потери корреляции» в пределах точности вычислений совпадает с переходом температуры воздуха в область положительных значений. В то же время для волонтера Г коэффициент корреляции между значениями САД и Кр-индексом достоверен как по всему ряду измерений (г = 0, 292 по 94 точкам, р < 0,01), так и при вычислении в скользящем окне (рис. 8).
01.04.1
Дата, сут
Рис. 8. Кросскорреляционная функция для значений САД и Кр-индекса, рассчитанная в скользящем окне по 30 точкам с шагом в 1 сутки. Черная линия — волонтер В, серая линия — волонтер Г Пунктиром показаны 5 % доверительные интервалы для двусторонней области. Дата по оси абсцисс соответствует началу 30-суточного периода, для которого рассчитан коэффициент корреляции
А
Б
Для волонтера В не было обнаружено зависимости показателей АД от метеорологических показателей, для волонтера Г достоверным оказался коэффициент корреляции САД с влажностью воздуха (г = 0,205, р < 0,05), причем в этом случае наблюдали как совпадение быстрых вариаций, так и синхронность медленных волн. Также была обнаружена противо-фазность медленных волн САД и температуры. Необходимо отметить, что в течение всего периода мониторинга волонтера Г между показателями влажности и температуры воздуха в Архангельске наблюдалась высокая отрицательная корреляция, поэтому противоположные знаки связи значений САД с влажностью и температурой являются закономерными и логичными.
Таким образом, для волонтера Г наблюдается одновременная корреляция от двух независимых факторов — геомагнитной активности и погоды (влажности). Чтобы оценить, какой из факторов вносит больший вклад в динамику показателей АД, были построены временные ряды, являющиеся линейной комбинацией нормированных рядов значений Кр-индекса и влажности (в процентном соотношении двух сигналов от нуля до 100 % с шагом 10 %). Такая процедура аналогична разложению вектора значений АД в ортогональном пространстве двух факторов. Оказалось, что для такого комбинированного временного ряда максимум корреляции (г = 0,34, р < 0,01) с показателями АД наблюдается при соотношении вкладов Кр и влажности 6:4 (рис. 9А). В этом случае комбинированный ряд описывает около трети наблюдаемых вариаций САД. Таким образом, влияние метеорологических и магнитных факторов на вариации показателей АД данного волонтера является примерно одинаковым.
Заключение
Разработана методика мониторинга артериального давления человека для определения степени его индивидуальной чувствительности к метеорологическим и геомагнитным факторам. Выявлено, что оптимальной частотой измерения АД в рамках решения обозначенных задач являются измерения один раз в сутки, в одно и то же время, желательно утром (3-кратно, с записью
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Доля Кр-индекса
Время, сут
Рис. 9. Величина коэффициента корреляции значений САД волонтера Г с комбинированным временным рядом «Кр-влажность воздуха» в зависимости от процентного вклада каждого из факторов — А. Сравнительная динамика значений САД волонтера Г и комбинированного ряда «0.6 Кр+0.4 влажность» — Б
среднего значения). Выполнен анализ правомерности использования геомагнитных индексов (локальных и планетарных) и метеорологических показателей. Установлена целесообразность использования суточного локального К-индекса, который при отсутствии необходимых данных в открытом доступе может быть заменен планетарным, в том числе и при анализе данных высокоширотного мониторинга АД. Проведен сравнительный анализ статистических характеристик временных рядов метеорологических данных Москвы и Архангельска, показано, что представленная методика анализа применима без изменений, несмотря на наличие жестких погодных условий Севера. Приведены иллюстративные примеры использования методики для анализа данных мониторинга АД на географических широтах Москвы и Архангельска. Показано, что учет возможной комбинированной зависимости одновременно от метеорологических и геомагнитных факторов повышает точность описания полученной динамики показателей АД. При этом внешние факторы, в комплексе или отдельно, могут обусловливать до 30 % вариабельности значений АД здорового волонтера.
Список литературы
1. Бичкаева Ф. А. Резервные возможности эндокринной регуляции метаболических процессов у человека на Севере : автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Ф. А. Бичкаева. — Архангельск, 2006. — 38 с.
2. Бреус Т. К. Магнитные бури. Медико-биологические аспекты / Т. К. Бреус, С. И. Рапопорт. — М. : Советский спорт, 2003. — С. 186.
3. Вариабельность сердечного ритма при геомагнитных возмущениях и летных нагрузках на Севере / С. А. Черноус, Н. К. Белишева, В. Ф. Григорьев и др. // Материалы Международной конференции «Космическая погода: ее влияние на биологические объекты и человека» / под ред. О. Ю. Атькова и Ю. И. Гурфинкеля. — М., 2006. — С. 71.
4. Влияние геомагнитных возмущений на капиллярный кровоток больных ишемической болезнью сердца / Ю. И. Гурфинкель, В. В. Любимов, В. Н. Ораевский и др. // Биофизика. — 1995. — Т. 40, вып. 4. — С. 793—799.
5. Гурфинкель Ю. И. Ишемическая болезнь сердца и солнечная активность / Ю. И. Гурфинкель. — М., 2004.
- 170 с.
6. Ефремов А. А. О существующих подходах к районированию северных территорий России / А. А. Ефремов, А. В. Ткачев // Материалы Всероссийской конференции «Стратегия развития северных регионов России». — Архангельск, 2003. - С. 48-58.
7. Заболотная Н. А. Индексы геомагнитной активности : справочное пособие / Н. А. Заболотная. — 2-е изд. — М. : URSS, 2007. — 88 с.
8. Исследование характера связей физиологических и психофизиологических показателей организма с метеорологическими и геомагнитными факторами / Т. А. Зенченко, П. А. Цандеков, П. Е. Григорьев и др. // Геофизические процессы и биосфера. — 2008. — № 3. — С. 25—36.
9. К вопросам влияния геомагнитной и метеорологической активности на больных артериальной гипертонией / Т. А. Зенченко, Е. В. Цагареишвили, Е. В. Ощепкова и др. // Клиническая медицина. — 2007. — № 1. — С. 31—35.
10. Мелатонин в норме и патологии / под ред. Ф. И. Комарова, С. И. Рапопорта, Н. К. Малиновской, В. Н. Анисимова. — М. : ИД Медпрактика-М., 2004. — 307 с.
11. Периодические изменения биоэлектрической активности мозга человека и их корреляции с колебаниями геомагнитного поля / В. А. Парфентьев, В. Н. Доронин, Р. А. Намвар и др. // Труды Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». — СПб., 1997. — С. 278—279.
12. Поскотинова Л. В. Вегетативная регуляция ритма сердца в зависимости от утреннего уровня мелатонина у подростков при умственной нагрузке на Севере / Л. В. Поскотинова, Е. В. Кривоногова, Д. Б. Дёмин // Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2008. — Т. 42, № 3. - С. 38-43.
13. Поскотинова Л. В. Эндокринное обеспечение вегетативной регуляции ритма сердца у подростков на Севере / Л. В. Поскотинова, Е. В. Кривоногова, Е. В. Типисова // Экология человека. — 2006. — № 7. — С. 14-19.
14. Холодов Ю. А. Мозг в электромагнитных полях / Ю. А. Холодов. — М. : Наука, 1982. — 120 с.
15. Хронобиологические аспекты природы и характера воздействия магнитных бурь на функциональное состояние организма людей / Ф.И. Комаров, С.И. Рапопорт и др. // Хронобиология и хрономедицина — М. : Триада-Х, 2000.
— С. 299—316.
16. Цагареишвили Е. В. Метод самоконтроля артериального давления в оценке эффективности антигипертен-зивной терапии и повышении приверженности к лечению у больных артериальной гипертонией в амбулаторных условиях : автореф. дис. ... канд. мед. наук / Цагареишвили Е. В. — М., 2006. — 18 с.
17. Щёголева Л. С. Резервные возможности иммунного гомеостаза у человека на Севере : автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Щёголева Л. С. — Архангельск, 2005. — 37 с.
18. Braud W. G., Dennis S. P. // Perceptual and Motor Skills. — 1989. — Vol. 68. — P. 1243—1254.
19. Dimitrova S., Stoilova I. // ESA SP-506. — 2002. — Vol. 1. — P 129—132.
20. Stoupel E., Petrauskiene J., Kaledie R., et al. // J. of Basic and Clinical Physiology and Pharmacology. — 1996. — N 7. — P. 303—319.
21. Ghione S., Mezzasalma L., Del Seppia C., Papi F. // J. Hum Hypertens. — 1998. — Vol. 12. — P. 749—754.
22. Merzlyi А. М. Possible Application of Modern Information Technologies for the Prophylaxis of Aggravation of Cardiovascular Diseases, Induced by Variations of Meteorological and Geomagnetic Factors / А. М. Merzlyi, Т. А. Zenchenko, S. K. Zenchenko // Global Telemedicine and eHealth Updates: Knowledge Resources / Jordanova M., Lievens F. (Eds) — Luxembourg : Luxexpo, 2009. — Vol. 2. — P. 379—384.
23. Method of Psychophysical Parameters Monitoring for Revealing of Human Sensitivity to Geomagnetic and Meteorological Factors / Т. А. Zenchenko, T. K. Breus, А. М. Merzlyi, еt al. // Global Telemedicine and eHealth Updates: Knowledge Resources / Jordanova M., Lievens F. (Eds) — Luxembourg : Luxexpo, 2009. — Vol. 2. — P. 371—375.
24. PersingerM. A. Geopsychology and geopsychopathology: Mental processes and disorders associated with geochemical and geophysical factors / M. A. Persinger. — Experientia 43, Birkhauser Verlag, Basel, Switzerland. — 1987. — P. 92—103.
25. Persinger M. A., Psych C. // International Journal
of Biometeorology. — 1995. — N 38. — P. 180—187.
26. Strestik J. The influence of heliogeophysical and meteorological factors on suddencardiovascular mortality / J. Strestik, J. Sitar // Proceed of 14th Intern. Congress of Biometeorology, September 1—8, 1996. Ljubliana, Slovenia.
- P. 2. - Vol. 3. - P. 166-173
27. Typology of Typical Reactions on the Space and Usual Weather Variations for Patients Suffering From Hypertension and for Healthy People / T. A. Zenchenko, T. K Breus,
E. V. Tsagareishvili, et al. // Global Telemedicine and eHealth Updates: Knowledge Resources / Jordanova M., Lievens
F. (Eds) - Luxembourg : Luxexpo, 2009. - Vol. 2. -P. 409-413
28. Villoresi G., Breus T. K., lucci N. et al. // Physica Medica. - 1994. - N 10. - P. 79-91.
TECHNIQUE OF ESTIMATION INDIVIDUAL METEO-AND MAGNETICS SENSITIVITY OF THE HUMANE ORGANISM AND IT’S APPLICATION AT VARIOUS GEOGRAPHICAL LATITUDES
12 T. A. Zenchenko, ,3A. M. Merzlyi, 4L. V. Poskotinova
1Space Research Institute of RAS, Moscow, 2Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Pushchino 3Geophysical Center of RAS, Moscow, 4Institute of Environmental Physiology of Ural Branch of RAS, Arkhangelsk
The purpose of the given work is development of person’s arterial pressure monitoring technique for degree definition of
its individual sensitivity to meteorological and geomagnetic factors. There are formulated requirements to monitoring arterial pressure on the basis of long experiments on working off of a technique. There is illustrated necessity and sufficiency of daily measurements. There is resulted and proved the calibrate technique tests. It is analyzed of geomagnetic indexes (local and planetary) and meteorological parameters applicability to a problem of definition individual meteomagnetic sensitivity. There are resulted basic methods of the statistical analysis of physiological parameters and meteorological, magnetic factors communication in view of received numbers dynamics specificity. There is made estimation of the given technique in high latitudes conditions and there are designated features of the account of meteorological and geomagnetic conditions of the North.
Key words: solar biology, meteomagnetic sensitivity, cardiovascular system, monitoring.
Контактная информация:
Зенченко Татьяна Александровна — кандидат физикоматематических наук, старший научный сотрудник Института космических исследований (ИКИ) РАН, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН
Адрес: 1 17997, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, ИКИ
E-mail: [email protected]
Статья поступила 24.04.2009 г.
