CC BY
2УДК 612.1/.9-057.874
Филатова Д.Ю., Эльман К. А., Игуменов Д. С., Рассадина Ю.В.
Filatova D.Yu., Elman K.A., Igumenov D.S., Rassadina Yu.V.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ ШКОЛЬНИКОВ ЮГРЫ
COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF THE CARDIORESPIRATORY SYSTEM PARAMETERS AMONG UGRA SCHOOLCHILDREN
Изучение адаптационных возможностей организма человека к экофакторам Севера РФ составляет основу экологии человека в условиях проживания в северных регионах РФ. Специфика организма человека на Севере проявляется в особенностях регуляции функциональных систем организма человека, в особом (близком к патологическому) состоянии нейротрансмитерных систем и нейровегетативного системокомплекса (вегетативной нервной системы).
The study of the adaptive capacity of the organism to ecofactor the North of the Russian Federation is the basis of human ecology in the living conditions in the Northern regions of the Russian Federation. The specifics of the human body in the North is manifested in the peculiarities of human body functional systems regulation, in particular (closest pathological) condition of neurotransmitters and neurovegetative systems of systemcomplete (vegetative nervous system).
Ключевые слова: вариабельность сердечного ритма, теория хаоса-самоорганизации, квазиаттрактор.
Key words: heart rate variability, chaos theory-self-organization, quasiattractor.
Принципы системного изучения деятельности важнейших регуляторных и функциональных систем организма (ФСО), впервые обозначенные И.М. Сеченовым и И.П. Павловым, а затем в деталях разработанные П.К. Анохиным, К.В. Судаковым, Н.А. Фудиным, В.Г. Зиловым (1993-2010) [5] до сих пор не потеряли своей актуальности. Они являются исходной научно-теоретической основой при исследовании динамики функционального состояния и адаптационных реакций организма человека в различных условиях жизнедеятельности.
В рамках биофизического подхода важно определить иерархические уровни организации процессов управления как отдельными ФСО человека, так и их комплексами в общей системе регуляции гомеостаза. Биофизическим следствием развития теории ФСО П.К. Анохина является проблема изучения некоторых глобальных интегративных механизмов управления всеми ФСО человека, которая должна базироваться на некоторых общих принципах работы ЦНС, как высшего уровня регуляции функций организма. В соответствии с данной концепцией, центральным регулятором ФСО является некое корпоративное объединение центральных нервных структур, обеспечивающих интегрированное управление моторными и висцеральными функциями [2-4; 6-10].
Несоответствие адаптационного потенциала ФСО школьников и интенсивности учебной нагрузки приводит к возникновению состояний предболезни с последующим переходом в серьезные патологии, риск которых наиболее высок среди молодых жителей территорий с тяжелыми климатическими условиями, в том числе Югры [1-11; 13].
Изучение возрастной динамики параметров вегетативной нервной системы (ВНС): детско-юношеского населения Югры основывалось на методе вариационной пульсоинтервалографии. Обследовано 150 человек (девочек - 75 и мальчиков - 75) трех возрастных групп по 25 человек в каждой: 1-я группа - 7-10 лет; 2-я группа 11-14 лет; 3-я
группа - 15-17 лет. Обследованные были без патологий и жалоб на здоровье (согласно Хельсинской декларации давали добровольное согласие на обследование) [8-10].
Основные параметры ССС обследуемых образовывали тринадцатимерное фазовое пространство вектора состояний системы (ВСС) в виде Х = x(t) = (xi, х2,..., Хт)т, где m = 13. Эти координаты х, состояли из: Х1 - SIM - показатель активности симпатического отдела ВНС, у. е.; Х2 - PAR - показатель активности парасимпатического отдела, у. е.; хз - SDNN -стандарт отклонения измеряемых КИ, мс; х4 - INB - индекс напряжения (по P.M. Баевскому); Х5 - SSS - число ударов сердца в минуту; Х6 - SpO2 - уровень оксигенации крови (уровень оксигемоглобина); х7 - VLF - спектральная мощность очень низких частот, мс2; х8 - LF -спектральная мощность низких частот, мс; х9 - HF - спектральная мощность высоких частот, мс2; х10 - Total - общая спектральная мощность, мс2; Х11 - LFnorm - низкочастотный компонент спектра в нормализованных единицах; х12 - HFnorm - высокочастотный компонент спектра в нормализованных единицах; Х13 - LF/HF - отношение низкочастотной составляющей к высокочастотной [3; 4].
Применялись новые методы ТХС, разработанные и запатентованные в СурГУ [3; 4; 6; 11]. Они обеспечили расчет параметров квазиаттракторов (КА) поведения вектора состояния системы х(0 в фазовом пространстве состояний (ФПС). Для этих целей динамика кардиоинтервалов (КИ) быстрым преобразованием Фурье представлялась в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и строились фазовые портреты, где в качестве функции (первой координаты) Х1 = Х1(t) использовались сами КИ (как функции времени t), вторая фазовая координата Х2 = Х2^) = dхi/dt являлась скоростью изменения Х1^). Определение параметров КА основано на расчетах вариационных размахов Дх, для каждой координаты вектора х(/) [1-5; 10-13]. Определение КА введено на ограниченном временном отрезке t, так как биосистема постоянно эволюционирует (параметры КА могут существенно отличаться на различных отрезках времени). Это показали и наши исследования, представленные в настоящем сообщении. Фактически, мы представляем скорость эволюции функций организма (у нас ССС) с возрастом [9; 10].
Известно, что параметры вариабильности сердечного ритма (ВСР) являются объективным показателями состояния ССС и регуляторных систем организма, так как непосредственно характеризуют активность нейровегетативного системокомплекса. Изменения параметров ВСР могут характеризовать степень напряжения регуляторных механизмов при стрессовых воздействиях либо отражать связь наблюдаемых изменений активности отделов ВНС, состоянием сосудистого центра и высших вегетативных центров и т.д. [6-10].
Исследование параметров ССС детско-юношеского населения Югры показало для младшей возрастной группы доминирование парасимпатического (PAR) отдела ВНС над симпатическим (SIM) отделом вегетативной нервной системы. Величины SIM и PAR трех возрастных групп девочек имеют сходную динамику (в виде гистограмм).
Установлено, что детско-юношеское население имеют разную скорость падения SIM и нарастания PAR (наблюдается только у женского пола). У девочек мы имеем более плавное падение SIM (4-3, 5 у. е.). Такое плавное падение значения SIM мы наблюдаем и у мальчиков (4-3 у. е.) и в этом проявляется специфика возрастных изменений параметров нейровегетативной регуляции ССС у этих двух сравниваемых групп [6-8]. Диаметрально противоположная динамика у PAR этих двух возрастных групп: девочки имеют исходно (в молодом возрасте) высокое значение (11,5 у. е.), так же как и с мальчиками (11 у. е. исходно). Однако в старшем возрасте появляются различия только у представительниц женского пола (11,5 и 13 у. е. соответственно).
Еще более разительные отличия получаются при анализе параметров кардиоинтервалов в двумерном фазовом пространстве состояний, где Х1 - КИ и Х2 -скорость их изменения. На рис. 1-I представлен характерный пример таких изменений для девочек разных возрастных групп (испытуемая М11, 8 лет, площадь квазиаттрактора
Л = 84100 у. е., испытуемая Ср11, 12 лет, площадь КА £2 = 78 400 у. е., испытуемая Оп1, 16 лет, £з = 77 500 у. е.).
Из рис. 1 видно, что ССС испытуемых 1-й и 2-й группы демонстрирует довольно высокую вариабельность, что характерно практически для любого здорового (без явных патологий) человека. Подобная картина справедлива для большинства населения нашей планеты, но она характерна для старшего возраста (от 20 до 100 лет) [1].
Качественно хаотическую динамику работы ССС представителей 1-й, 2-й и 3-й группы можно увидеть на фазовой плоскости (рис. 1).
II
81 = 84100
а
$2 =78400
ь
КС 1Ю
■Ма $3 =77500
■хо
Рис. 1. Примеры динамики КИ xl = х1($ по данным пульсоинтервалографии девочек разных возрастных групп - I и фазовые траектории КА сигнала xl на плоскости с координатами xl,
X2 -скорость изменения xl, Х2 = dxlldt - II: а - младшая возрастная группа (7-10 лет); в - средняя возростная группа (11-14 лет); с - старшая возрастная группа (15-17 лет)
Несколько иная динамика наблюдается у мальчиков на рис. 2 представлен характерный пример таких изменений для мальчиков разных возрастных групп (испытуемый М21, 7 лет, площадь КА £1 = 78 400 у. е., испытуемый Ср21, 8 лет, площадь КА £2 = 93 600 у. е., испытуемый СЫ, 16 лет, £з = 79 200 у. е.).
II
а
ь
с
Рис. 2 Примеры динамики КИ Х1 = х1($ по данным пульсоинтервалографии мальчиков из разных возрастных групп - I и фазовые траектории КА сигнала Х1 на плоскости с координатами Х1,
«2 - скорость изменения х1, «2 = dxlldt - II: а - младшая возрастная группа (7-10 лет); в - средняя возростная группа (11-14 лет); с - старшая возрастная группа (15-17 лет)
I
с
I
Мы использовали стохастический подход в оценке параметров КА КИ. Фактически, мы применили стохастику для оценки хаотической динамики КИ. Подробное рассмотрение статистических закономерностей параметров хаотической динамики КИ этих трех возрастных групп, т.е. их КА, показало существенное различие по параметрам КА. Наглядно количественные характеристики параметров КА девочек и мальчиков Севера в виде функций £ (значения площадей КА) представлены на рис. 3. Площади трех КА (<£1>, <&>, <£3>) демонстрируют резкое снижение их размеров при увеличении возраста у представительниц женского пола, что является важной характеристикой эколого-возрастных закономерностей поведения хаотической динамики кардиоинтервалов. Подобных результатов мы у мальчиков не наблюдаем. У них в пубертатном периоде, наоборот наблюдается резкое возрастание £ (рис. 3).
95000 - эгзм 90000 - 85000 - щ Щ 75000 - 92000 - У0084 40000 - || КЙП00 - Я6(Ю0 К4000 82000 - 80000 - .,„, „„ ■ 73820 78000 - 76000 74000
1 1 3 12 3
а в
Рис. 3. Усредненное значение площадей КА Б для 3 возрастных групп:
а - девочки; в - мальчики
Также производилось сравнение ВСР детско-юношеского населения Югры с помощью критерия Краскела - Уоллиса (при критическом уровне значимостир < 0,05).
В табл. 1 и 2 представлены результаты статистической обработки параметров ВСР с учетом возрастно-половых различий учащихся МОУ СОШ № 4.
Таблица 1
Результаты сравнения параметров ВСР девочек (п = 25) с помощью критерия Краскела - Уоллиса (при критическом уровне значимости принятым р < 0,05)
Параметры 1 и 2 1 и 3 2 и 3
БГМ 1,00 1,00 1,00
РАЯ 1,00 1,00 1,00
1,00 1,00 1,00
ШБ 1,00 0,84 1,00
Бр02 1,00 1,00 1,00
0,00 0,00 1,00
УЬБ 1,00 1,00 1,00
ЬБ 1,00 1,00 0,45
ОТ 1,00 0,64 1,00
1о1а1 1,00 1,00 1,00
ЬБ(р) 1,00 0,02 0,13
НБ(р) 1,00 0,02 0,13
ЬБ/ОТ 1,00 0,02 0,11
Таблица 2
Результаты сравнения параметров ВСР мальчиков (п = 25) с помощью критерия Краскела - Уоллиса (при критическом уровне значимости принятым р < 0,05)
Параметры 1 и 2 1 и 3 2 и 3
БГМ 0,47 1,00 0,89
РАЯ 0,51 1,00 1,00
ББ^ 1,00 0,40 1,00
ШБ 0,55 0,31 1,00
Бр02 1,00 0,82 1,00
0,01 0,03 1,00
УЬБ 0,69 0,39 1,00
ЬБ 0,82 0,05 0,56
НБ 1,00 0,49 0,60
Ю;а1 0,94 0,26 1,00
ЬБ(р) 0,82 0,00 0,01
НБ(р) 0,82 0,00 0,01
ЬБ/НБ 1,00 0,00 0,01
В результате сравнения табл. 1 и 2 мы представляем итоги парного сравнения по всем 13 параметрам ВСР (включая и КИ ВСР) для группы девочек и мальчиков. Эти пары сравнений представлены в табл. 1 и 2, где в матрице 3*13 представлены уровни совпадений выборок (критерий Краскела - Уоллиса), которые для групп сравнения девочек (1 и 2) по 1-й интегральной характеристике (БББ) и (1 и 3) по 1-й интеграционной характеристике (БББ) и трем частотным характеристикам (ЬБ(р), НБ (р), ЬБ/НБ) дают значенияр < 0,05. Для сравнения у мальчиков (1 и 2) по 1-й интегральной характеристике (ЗББ), для 1-й и 3-й по 1-й интегральной характеристики (Б Б Б) и 4 частотным характеристикам (ЬБ, ЬБ(р), НБ(р), ЬБ/НБ) для 2-й и 3-й групп сравнения 3 частотные характеристики дают значения р < 0,05. Остальные параметры не дают статистически значимых различий, в этом случае возникает неопределенность 1-го рода, которая может быть разрешена или с помощью нейрокомпьютеров [4], или в рамках расчета параметров КА [1-5].
Таким образом, регуляции динамики ВСР учащихся Югры превалирует активность парасимпатического отдела ВНС, что свидетельствует о формировании у них холинергического гомеостаза, который наиболее выражен в препубертатную и пубертатную фазы подросткового возраста (у девочек и мальчиков).
Метод математического моделирования параметров ВСР учащихся в многомерном фазовом пространстве состояний обеспечивает получение объективной информации о функциональном состоянии, механизмах нейровегетативной регуляции функций и степени адекватности реакций организма на факторы учебного процесса и условия жизнедеятельности.
Установлены различия параметров КА поведения вектора состояния организма детско-юношеского населения в аспекте возрастных изменений СОШ № 4 учащиеся старшей возрастной группы девочек демонстрируют меньшие объемы КА; учащиеся средней возрастной группы мальчиков демонстрируют наибольший объем КА в сравнении с младшей и старшей возрастными группами.
Литература
1. Гавриленко Т. В., Еськов В. М., Хадарцев А. А., Химикова О. И., Соколова А. А. Новые методы для геронтологии в прогнозах долгожительства коренного населения Югры // Успехи геронтологии. 2014. Т. 27, № 1. С. 30-36.
2. Еськов В. М., Еськов В. В. Компартментный подход в исследованиях регуляторных процессов в сердечно-сосудистой системе жителей Севера // Вестник новых медицинских технологий. 2002. Т. 9. № 3. С. 40-41.
3. Еськов В. М., Еськов В. В., Козлова В. В., Филатов М. А. Способ корректировки лечебного или физкультурно-спортивного воздействия на организм человека в фазовом пространстве состояний с помощью матриц расстояний : патент на изобретение RUS 2432895 от 09.03.2010 г.
4. Еськов В. М., Еськов В. В., Филатова О. Е., Хадарцев А. А. Особые свойства биосистем и их моделирование // Вестник новых медицинских технологий. 2011. Т. 18, № 3. С. 331-332.
5. Еськов В. М., Филатова О. Е., Фудин Н. А., Хадарцев А. А. Новые методы изучения интервалов устойчивости биологических динамических систем в рамках компартментно-кластерного подхода // Вестник новых медицинских технологий. 2004. № 3. С. 5-6.
6. Карпин В. А., Гудков А. Б., Катюхин В. Н. Мониторинг заболеваемости коренного населения Ханты-Мансийского автономного округа // Экология человека. 2003. № 3. С. 10-13.
7. Нифонтова О. Л., Гудков А. Б., Щербаков А. Э. Характеристика параметров ритма сердца у детей коренного населения Ханты-Мансийского автономного округа // Экология человека. 2007. № 11. С. 6-10.
8. Нифонтова О. Л., Литовченко О. Л., Гудков А. Б. Показатели центральной и периферической гемодинамики детей коренной народности Севера // Экология человека. 2010. № 1. С. 15-19.
9. Русак С. Н., Еськов В. В., Молягов Д. И., Филатова О. Е. Годовая динамика погодно-климатических факторов и здоровье населения ханты-мансийского автономного округа // Экология человека. 2013. № 11. С. 19-24.
10. Филатова О. Е., Проворова О. В., Волохова М. А. Оценка вегетативного статуса работников нефтегазодобывающей промышленности с позиции теории хаоса и самоорганизации // Экология человека. 2014. № 6. С. 4-8.
11. Хадарцев А. А., Еськов В. М. Медико-биологические аспекты теории хаоса и синергетики // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2006. Т. 5, № 3. С. 608-612.
12. Eskov V. M. Evolution of the emergent properties of three types of societies: The basic law of human development // Emergence : Complexity and Self-organization, 2014. Vol. 16, № 2. Р. 107-115.
13. Eskov V. M., Kulaev S. V., Popov Y. M., Filatova O. E. Computer technologies in stability measurements on stationary states in dynamic biological systems // Measurement Techniques. 2006. Т. 49, № 1. Р. 59-65.
