CC BY
42
Interval X9 = 48 Asymmetry rX9 = 0.0417 Interval X10 = 48 Asymmetry rX10 = 0.0417 Interval X11 = 25 Asymmetry rX11 = 0.3000 General V value = 1.60E+0024
II
Number of measures: 17 Number of Phase plane dimension m = 11 General asymmetry value rX = 10091.537 Interval X1 = 26 Asymmetry rX1 = 0.2308 Interval X2 = 19 Asymmetry rX2 = 0.0789 Interval X3 = 43 Asymmetry rX3 = 0.0116 Interval X4 = 3 Asymmetry rX4 = 0.1667 Interval X5 = 16417 Asymmetry rX5 = 0.3601 Interval X6 = 6847 Asymmetry rX6 = 0.2387 Interval X7 = 2128 Asymmetry rX7 = 0.2580 Interval X8 = 24976 Asymmetry rX8 = 0.3201 Interval X9 = 55 Asymmetry rX9 = 0.1909 Interval X10 = 55 Asymmetry rX10 = 0.1909 Interval X11 = 15 Asymmetry rX11 = 0.1667 General V value = 1.73E+0025
Анализируя данные, полученные при обследовании лиц, работающих в ночное время, можно сказать, что такая временная динамика свидетельствует о существенных изменениях показателей КРС в сторону сдвига именно в парасимпатотонию в результате нарушения биологической ритмики жизнедеятельности. Одновременно со стохастической обработкой данных мы произвели обработку этих же данных в рамках теории хаоса на базе нейрокомпьютерных технологий, что выявило особенности в состоянии ВСОЧ до и после начала ночной смены.
клинические данные
Рис. 2. Результаты ранжирования признаков x1 - x11 при сравнении данных мониторинга сотрудников охраны, работающих в ночную смену (Xi - SIM, X2 - PAR, X3 - 4SS, X4 - SPO2, X5 - VLF, X*; - LF, X7 - HF, X8 -TOTAL, X9 - LF NORM, X10 - HF NORM, Xn - LF/HF)
Общее число измерений m-координат фазового пространства равняется одиннадцати. До начало работы в ночь общий показатель асимметрии (rX - расстояние между геометрическим центром аттрактора и статистической дисперсией) равен 53;7,9. После выполнения работы общий показатель асимметрии General rX увеличился почти в два раза (10091,5). Это свидетельствует о возникновении больших разбросов в стохастических и хаотических параметров аттрактора ВСОЧ. Показатель объема паралле-пипеда, внутри которого находится аттрактор поведения ВСОЧ, е увеличился с 1.6 ' 1024 до 1.7' 1025. Результаты свидетельствуют о наличии разбросов в параметре ВСОЧ, что представляет собой дизадаптационные процессы в функциях ВНС. На рис. 1 показаны итоги ранжирования параметров ВСОЧ у этих 2-х групп испытуемых. Х1 и Х8 являются значимыми диагностическими признаками. Их можно трактовать, как параметры порядка.
Литература
1. Смирнов К.М., Навакатикян А.О. Биоритмы и труд.- Л.: «Наука». 1980.- 144 с.
2. Оранский И.Е. , Цафис П.Г. Биоритмология и хронотерапия.- М.: Высш. шк., 1989.- 159 с.
3. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине: Монография.-Ч. VII. / Под ред. В.М. Еськова. А.А. Хадарцева.- Самара: Офорт, 2006.- 161 с.
THE STAGE OF FUNCTIONAL SYSTEMS ORGANISM OF THE HUMAN IN CONDITIONS OF INFRINGEMENT BIOLOGICAL RHYTHM
V.M. ES’KOV, YU. V. KASHINA, E. A. MISHINA, M.A. FILATOVA Summary
Biological rhythm - one of most general properties of alive systems. Knowledge of laws of biological rhythms use at preventive maintenance, diagnostics and treatment disease of human, at the organization of modes work and rest. Reorganization of biorhythm at shift work causes infringements of functions of various systems including cardio-respiratory system that causes essential of infringement processes in functions of vegetative nervous system.
Key words: biological rhythms, cardio-respiratory system
УДК 616.12-008.3-073.96; 612.171.1
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАРДИО-РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ УЧАЩИХСЯ Г. СУРГУТА И Г. САМАРЫ В РАМКАХ ТЕОРИИ ХАОСА.
В.В. КОЗЛОВА, И.Л. ПШЕНЦОВА, А.В. ХИСАМОВА, М.А. ФИЛАТОВ*
Проживание на Севере РФ откладывает отпечаток на работу функциональных систем организма человека. Эти особенности связаны с хронической гипокинезией и действием ряда экологических факторов на формирование и развитие нервно-мышечной системы и кардио-респираторной системы в онтогенезе. В биомедицинских исследованиях под системным анализом мы будем понимать совокупность методов и подходов, изучающих количественные и качественные характеристики связей и взаимосвязей, различий и сходств между системами, их подсистемами, структурами и элементами, входящими в сложную систему - организм человека. Все это происходит с учетом изучения воздействия факторов окружающей среды (последняя тоже является системой с более сложно организованными связями) или же некоторых внутренних перестроек. Последние могут происходить при старении организма, и это все тоже составляет предмет и объект исследований медицинской и клинической кибернетики в рамках современных подходов теории хаоса и синергетики [4]. Важную роль в приспособлении организма к изменяющимся условиям среды играют показатели степени активности процессов регуляции в вегетативной нервной системе (ВНС). Степень активности ВНС может быть определена по результатам контроля вегетативной регуляции функциональных систем организма и, в частности, по реакции сердечно-сосудистой системы. Активность ВНС, определяемая по отношению к своему тоническому уровню, может быть соотнесена с мерой адаптационных реакций организма. Это дает возможность контроля выраженности стресса, последний в нашем случае при проживании в Ханты-Мансийском автономном округе связан с климатическими факторами [5, 6].
Пребывание человека в условиях Севера сопровождается изменениями показателей сердечно-сосудистой системы, которые зависят от сроков адаптации. В период кратковременной адаптации к условиям Севера появляются субъективные нарушения: одышка, особенно при быстрый ходьбе и физической нагрузке, сердцебиение, боли в области сердца. Объективно в этот период мобилизуются приспособительные реакции системы кровообращения, что проявляется в ускорении частоты сердечных сокращений (ЧСС), повышении систолического, диастолического и среднединамического давлений, увеличении периферического сосудистого сопротивления и линейной скорости кровотока. Такая физиологическая стресс-реакция системы кровообращения, направленная на нейтрализацию отрицательных воздействий комплекса неблагоприятных факторов Севера, характерна для первых 2-2,5 лет проживания человека в этих условиях. При 3-6летнем пребывании в условиях Севера постепенно снижаются частота пульса, систолический и минутный объемы кровообращения, но артериальное давление и периферическое сопротивление сосудов остаются увеличенными. После проживания в этих экологических условиях >10 лет, т.е. при хроническом воздействии на организм человека экстремальных факторов Севера устанавливаются брадикардия, сниженный систолический и минутный объемы кровообращения, растет артериальное давление и периферическое сосудистое сопротивление. Проявление у людей гипертонической болезни, характеризуется более тяжелым течением, чем в средней полосе России (гипертонические кризы, ведущие к мозговым инсультам или инфарктам миокарда) [1, 3].
У коренных жителей Севера преобладает тонус парасимпатической (особенно в зимнее время) ВНС в регуляции функций (нормальное или пониженное артериальное давление, адекватность реакций сосудов кожи на гипертермию). У приезжих наблюдаются колебания артериального давления в сторону гипертензии [6]. Отметим появление большого числа работ, которые все настойчивей представляют идею о существовании всеобщего центрального регулятора всех жизненных функций организма человека. Этот центральный регулятор в работах школы нейрохирурга, проф. В.Скупченко получил название фазатона мозга (ФМ), и является объектом изучения представителей клинических дисциплин и медицинских кибернетиков, биофизиков и нейробиологов. Проявление влияния ФМ наблюдается на уровне психомоторных актов и двигательных
* Сургутский государственный университет, 628400, г. Сургут, Энергетиков 14, (3462)524822, e-mail: evm@bfsur2u.ru
функций, вегетативных реакций организма человека на изменение факторов внешней среды или внутреннего состояния [4].
Объект и методы исследования. Методы исследования основаны на применении ЭВМ и специальных программ, разработанных в лаборатории биокибернетики и биофизики сложных систем при Сургутском государственном университете и запатентованных. Первая, наиболее значимая в этом комплексе методика исследования ряда показателей кардио-респираторной системы, сводится к применению метода вариационной пульсометрии с определением ряда показателей функционального состояния ВНС. Выбор метода был связан с тем, что ритм сердечных сокращений является наиболее доступным для регистрации физиологическим параметром. Доказано, что основным критерием в вариационной пульсометрии является показатель колебаний длительности межимпульсовых интервалов по отношению к среднему уровню [2].Производилась оценка показателей симпатической ВНС (СИМ) и парасимпатической ВНС (ПАР), определялся индекс Баевского и по отношению спектральных характеристик двух полос поглощения (для гемоглобина и оксигемогло-бина) находился процент оксигемоглобина.
В наших исследованиях применялся пульсоксиметр «ЭЛОКС-01С2», разработанный и изготовленный ЗАО ИМЦ Новые Приборы, г. Самара. В устройстве применялся оптический пальцевый датчик (в виде прищепки), с помощью которого происходила регистрации пульсовой волны с одного из пальцев кисти. Технически он выполнен с применением оптических излучателей и фотоприемника двух типов: в ближнем инфра- и красном спектре диапазона световой волны, которые дают возможность определять индикацию значения степени насыщения гемоглобина крови кислородом, в %, а также значения ЧСС.
Прибор снабжен программным продуктом «БЬОСЯДРИ», который в автоматическом режиме позволяет отображать изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов. Нами выполнена модификация программы в отношении усреднения показателей симпатической и парасимпатической ВНС, что обеспечивает представление процессов на фазовой плоскости в виде динамики хаотичных процессов. При использовании данной методики и аппаратуры исследование показателей пульсоинтервалографии производилось в положении испытуемого сидя в относительно комфортных условиях. С целью исключения артефактов и нивелировки влияния отрицательных обратных связей на съем информации, регистрировалось не менее 5-минутного интервала измерений КИ. Используя метод вариационной пульсометрии и анализ ВСР во временной и частотной областях, можно получить информацию, характеризующую процессы управления жизненными функциями организма человека под действием экстремальных экологических факторов.
Метод волнового преобразования для анализа ВСР уже начинает внедряться в практику исследований и требует дополнительных исследований для широкого клинического и биологического применения. Это касается и выработки количественных критериев оценки ВСР при помощи волнового преобразования. Все здесь представленные методы и исследования ВСР используются в той или иной мере в настоящей работе. Выполняется это с помощью ЭВМ и специальных программных продуктов.
Разработанная аппаратура и программное обеспечение были апробированы в биологических исследованиях на учащихся МОУ гимназии № 4 г. Сургута и учащихся 8-х и 10-х классов г. Самары. В рамках теории хаоса и синергетики (ТХС) и с использованием компьютерных технологий нами был выполнен анализ динамики поведения вектора состояния организма человека (ВСОЧ) для кардио-респираторной системы учащихся на Севере (гимназия №4 г. Сургута) и в г. Самаре (учащиеся 8-х и 10-х классов) в ^-мерном пространстве состояний. Исследование параметров аттракторов, поведения ВСОЧ проводилось с помощью авторской программы СЬаоБ. Исследование поведения аттракторов в т-мерном фазовом пространстве позволяет анализировать поведение параметров аттракторов в выбранных фазовых пространствах. В графическом режиме на экране показывается положение точек состояния исследуемой системы, границы пространства состояний систем. Можно построить фазовые траектории во всех фазовых плоскостях. В режиме суперпозиции (наложения траекторий и границ) фазовых плоскостей, можно вести визуальное исследование динамики процесса, а также количественное исследование корреляции ее параметров [7].
Результаты исследования. В ходе работы нами было обследовано в зимний период около700 учащихся МОУ гимназии №4 г. Сургута, а также 32 учащихся 8-го класса и 20 учащихся 10-го класса г. Самары. Производились измерения показателей
ФСО в этих группах в рамках анализа показателей вариабельности сердечной ритмики и содержания SpO2 - уровень оксигемог-лобина в крови. В результате обработки данных было выявлено, что общий показатель асимметрии в 8-х классах (rX - расстояние между геометрическим центром аттрактора и статистическим центром) у учащихся г.Сургута и г. Самары равен 13505,4 и 6353 соответственно. Аналогичная ситуация наблюдается и у учащихся 10-х классов. У них коэффициент rX=32117,9 для Сургута и rX=10523,2 для Самары. Это говорит о возникновении больших разбросов в стохастических и хаотических параметрах аттрактора ВСОЧ у этих групп учащихся. Показатель объема параллелепипеда, внутри которого находится аттрактор поведения ВСОЧ, также различается на несколько порядков, причем он больше у учащихся г. Сургута и составляет в 8-х классах г. Сургута 1,23* 1022, в г. Самаре - 9,46-1019. В 10-х классах объем составляет 2,32*1020 в г. Сургуте и 2,27*1019 - в г. Самаре.
Результаты обработки данных по ВСОЧ в 8-мерном фазовом пространстве состояний учащихся 8-х классов г. Самары (32 человека) Самара:
Number of measures: 32 Number of Phase plane dimension m = 8 General asymmetry value rX = 6353.006 Interval X1 = 12 Asymmetry rX1 = 0.2500 Interval X2 = 27 Asymmetry rX2 = 0.0556 Interval X3 = 57 Asymmetry rX3 = 0.0088 Interval X4 = 340 Asymmetry rX4 = 0.3324 Interval X5 = 6 Asymmetry rX5 = 0.3333 Interval X6 = 14780 Asymmetry rX6 = 0.3162 Interval X7 = 14166 Asymmetry rX7 = 0.2422 Interval X8 = 11988 Asymmetry rX8 = 0.2165 General V value = 9.46E+0019
Результаты обработки данных по ВСОЧ в 8-мерном фазовом пространстве состояний учащихся 8-х классов г. Сургута (67 человек) Number of measures: 67 Number of Phase plane dimension m = 8 General asymmetry value rX = 13505.433 Interval X1 = 96 Asymmetry rX1 = 0.4688 Interval X2 = 33 Asymmetry rX2 = 0.0758 Interval X3 = 58 Asymmetry rX3 = 0.1207 Interval X4 = 1490 Asymmetry rX4 = 0.4698 Interval X5 = 4 Asymmetry rX5 = 0.2500 Interval X6 = 28527 Asymmetry rX6 = 0.3640 Interval X7 = 30383 Asymmetry rX7 = 0.2783 Interval X8 = 12972 Asymmetry rX8 = 0.1241 General V value = 1.23E+0022
Наличие разбросов в параметрах ВСОЧ для учащихся г.Сургута в сравнении с учащимися г. Самары - результат действия дизадаптационных процессов на функции ВНС.
Рассматривая результаты мальчиков и девочек 8-х классов, наблюдаем, что коэффициент rX=8465,9 для Сургута и rX=4428,9 для Самары у мальчиков и rX=11333,3 для Сургута и rX=3203,9 для Самары у девочек. Т.е. расстояние между геометрическим центром аттрактора и статистическим центром у учащихся в г. Сургуте будет гораздо выше, чем аналогичный показатель у учащихся в г. Самаре. Показатели объема параллелепипеда у мальчиков 8-х классов в г. Самаре будет выше, чем в г. Сургуте и равен 5,7* 1019 и 1,1* 1019 соответственно. У девочек 8-х классов иная ситуация. В г. Сургуте этот показатель будет выше, чем в г. Самаре и составляет 1,01 *1022 и 2,16* 1018 соответственно. Анализируя показатели учащихся 10-х классов наблюдаем похожую картину. Коэффициенты rX у мальчиков и у девочек гораздо выше, чем у учащихся г. Самары и равны у мальчиков 9815 и 8402 соответственно. У девочек коэффициент rX=6821 для Сургута и rX=2722,6 для Самары. Объем параллелепипедов у мальчиков 10-х классов равен 5,07-1019 для г. Сургута и 2,29-1018 для г. Самары, а у девочек данные составляют 2,39-1019 для г. Сургута и 7,51-1017 - для г. Самары, т.е. показатель объема параллелепипеда, внутри которого находится аттрактор поведения ВСОЧ, также различается на несколько порядков, причем он больше у учащихся г. Сургута. Динамика поведения ВСОЧ у учащихся г. Сургута характеризуется большей хаотичностью, что проявляется увеличением параметров аттракторов. Последнее может проявляться в уменьшении устойчивости ФСО человека на Севере не только в молодом, но и усиливаться в более зрелом возрасте.
Литература
1. Агаджанян НА. , Петрова П.Г. Человек в условиях Севера.- М.: КРУК, 1996.- 208 с.
2. Анохин П.К. Кибернетика функциональных систем.- М., Медицина, 1998.- 160 с.
3. Основы физиологии человека.// Под ред. Б.И. Ткаченко.-СПб.: 1994.- Т2.- 411с.
4. Скупченко В.В., Милюдин Е.С. Фазотонный мозг и врачевание. Монография.- Самарский госмедунивер-т, 1994 г.- 256 с.
5. Еськов В.М. и др. Синергетика в клинической кибернетике: Ч I. Теоретические основы системного синтеза и исследований хаоса в биомедицинских системах.- Самара: Офорт; СурГУ, 2006.- 172 с.
6. Еськов В.М. и др. Экологические факторы Ханты-Мансийского автономного округа: Часть II.- Самара: Офорт; СурГУ, 2004.- 172 с.
7. Хадарцев А.А. и др. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине. Ч. IV. Монография.- Тула: Изд-во ТулГУ. 2003.-203 с.
УДК 612; 796.012;616-009.2
ПОКАЗАТЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОРГАНИЗМА
СТУДЕНТОВ СУРГУ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ
К.А. БАЕВ, О.В. КЛИМОВ, А.В. ХИСАМОВА*
Организм человека является открытой системой, которая непрерывно обменивается с окружающей средой различными веществами и энергией. В этом обмене, необходимом для жизни и поддержания постоянства внутренней среды, принимают участие многочисленные органы и функциональные системы. Саморегуляция физиологических функций поддерживает жизнедеятельность организма на относительно оптимальном и постоянном уровне. Для коррекции деятельности организма в соответствии с требованиями внутренней среды и внешними условиями используются две системы - вегетативная нервная система (ВНС) и эндокринная система. Первая осуществляет общее регулирование путем сдвигов активности своих отделов (симпатической, парасимпатической нервных систем). Перечисленные отделы ВНС имеют свои сенсорные компоненты, которые воспринимают физические и химические показатели внутренней среды. Много внимания уделяется формированию саморегулирующихся приспособительных функций организма и работе функциональных-систем организма (ФСО) человека под углом зрения кибернетических представлений. В трудах В.М. Еськова рассматриваются математические модели биологических динамических систем (БДС), позволяющие моделировать динамику природных биологических процессов на любом уровне их организации (молекулярном, клеточном, тканевом, органном, организменном, популяционном, биосферном), и позволяют прогнозировать динамику БДС в случае внешних воздействий или нестандартного (например, патологического для организма) развития процессов [1].
Экстремальные экологические факторы Крайнего Севера как раз и являются такими внешними воздействиями неспецифических механизмов на ФСО человека. Особенно остро эти вопросы стоят в связи с усилением миграции большого количества людей из южных областей страны для работы на Севере. Попадая в суровые климатические условия, они сталкиваются с рядом непривычных климатогеографических факторов. Напряжение организма приводит к неэкономному расходованию функциональных резервов, быстрому их истощению. Действие экстремальных факторов проявляется для них в значительной нагрузке на жизнеобеспечивающие процессы и психическую сферу. Временная динамика этих изменений достаточно полно прослежена. Однако эти данные не имеют систематизированного характера, в них отсутствует комплексный подход к изучению механизмов формирования адаптивной реакции организма. Еще в меньшей степени исследованы реакции организма на экстремальные условия, в частности, действие экологических факторов ХМАО на подрастающее молодое поколение. Недостаточное внимание к этой проблеме может проявиться в будущем не только в снижении умственной и физической работоспособности, нарушении здоровья, снижении эффективности образовательного и воспитательного процесса, но и привести к аномалиям развития [3]. Жизнь, сохранение здоровья на Севере возможны благодаря напряжению адаптационных возможностей организма. В неблагоприятном климате северных регионов отмечаются снижение порога вредного воздействия на организм человека производст-
* Сургутский государственный университет
венно-экологических факторов и уменьшение функциональных возможностей организма к восстановлению нарушений гомеостаза, вызванных этими факторами.
Объекты и методы исследования. Вегетативное и нейро-моторное регулирование нервно-мышечной системы (НМС) имеет ряд общих системных структурно-функциональных признаков. Существует определенный интерес к изучению роли влияния симпатических и парасимпатических отделов ВНС на работу НМС у спортсменов в период выполнения физических упражнений. Мы применили методы автоматизированного анализа данных по методике вариационной пульсометрии в ритмокар-диомониторинге. Степень активности ВНС определяется по результатам контроля вегетативной регуляции систем организма
и, в частности, по реакции сердечно-сосудистой системы. Здесь наиболее доступным параметром, отражающим процессы регуляции, является ритм сердечных сокращений, динамические характеристики которого позволяют оценить симпатические и парасимпатические сдвиги при изменении состояния пациента. Ритм сердечных сокращений является доступным для регистрации физиологическим процессом, отражающим процессы вегетативной регуляции в сердечно-сосудистой системе.
Таблица 1
Итоги статистической обработки измерений показателей кардио-респираторной ФСО нетренированных девушек до и после нагрузки
<х> Б* 5<х> 5*<х> <х>±ёх
СИМ до нагрузки 3,27 4,33 2,08 0,56 2,07; 4,46
после нагрузки 9,52 125,03 11,18 2,38 4,59; 14,57
ПАР до нагрузки 17,13 22,78 4,77 1,28 14,39; 19,87
после нагрузки 8,26 14,71 3,83 0,81 6,57; 9,95
ЧСС до нагрузки 83,8 165,23 12,85 3,43 76,41; 91,19
после нагрузки 99,69 693,86 26,34 5,61 88,07; 111,3
ИНБ до нагрузки 40 306,67 17,51 4,68 29,94; 50,06
после нагрузки 223,34 67893,98 260,56 55,55 118,4; 348,3
8РО2 до нагрузки 98,6 0,37 0,61 0,16 98,25; 98,95
после нагрузки 98,04 0,65 0,80 0,17 97,7; 98,4
Здесь и далее: <х>-среднее арифметическое значение; Б*<х>- статистическая дисперсия; 5<х> - среднеквадратичное отклонение; 5 <х> - среднеквадратичное отклонение среднего арифметического; [<х>±ёх] - доверительный интервал
Частота сердечных сокращений (ЧСС) является усредненной характеристикой ритма, отражающей результат регуляции на различных уровнях управления. Одному и тому же значению ЧСС могут соответствовать неодинаковые комбинации активности звеньев ВНС, обеспечивающих вегетативный гомеостаз. Снижение тонуса парасимпатического отдела ВНС может сопровождаться уменьшением активности симпатического отдела, при этом средняя ЧСС остается постоянной, не отражая изменение состояния вегетативной регуляции в организме. Изменения показателей ритма сердца при стрессе наступает раньше, чем появляются гормональные и биохимические сдвиги, т.к. реакция нервной системы обычно опережает действие гуморальных факторов. Это позволяет путем изучения показателей активности ВНС своевременно выявить особенности стрессовой реакции, в том числе и на физическую нагрузку. Методика кардиоинтерва-лометрии является одним из современных методов диагностики состояния не только миокарда, но и организма в целом. Ее можно с успехом использовать для характеристики состояния сердца, его регулирующих механизмов, для оценки адаптивных возможностей организма как при отборе для определенных видов спорта, так и в контроле жизнеобеспечивающих процессов в тренировочный и соревновательный периоды спортивной деятельности.
Исследования велись на базе СурГУ на 170 (115 юношей и 55 девушек) студентах 1, 2 и 3 курсов. Они были разделены на группы: юноши, девушки (регулярно занимающиеся спортом; регулярно занимающиеся физкультурой; нерегулярно занимающиеся физкультурой студенты). Измерения проводились в рамках
