CC BY
14DOI: 10.12737/22111
СТОХАСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ НЕРВНО-МЫШЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ХОЛОДОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Д.В. БЕЛОЩЕНКО, Е В. МАЙСТРЕНКО, Ю.Ю. КОРОЛЕВ, К.П. ЩИПИЦИН
БУ ВО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры», пр. Ленина, д. 1, г. Сургут, 628400, Россия
Аннотация. Проблема изучения вклада климатоэкологических особенностей территорий в формирование условий среды обитания, ее комфортность, адаптационные возможности организма и здоровье человека в целом является весьма актуальной уже несколько последних десятилетий для северных территорий Российской Федерации. Экологические и антропогенные факторы Севера формируют неблагоприятный фон для функционального состояния организма и связанного с ним здоровья человека. В связи с этим появляется необходимость по-новому рассматривать и прогнозировать на индивидуальном и популяционном уровнях состояние функциональных систем организма человека, проживающего на территории ХМАО - Югры. В данной работе изучается влияние кратковременного локального холо-дового воздействия на параметры нервно-мышечной системы организма человека, а именно электромиограмм мышцы (отводящей мизинец).
Ключевые слова: электромиограмма, биоэлектрический потенциал мышцы, теория хаоса-самоорганизации, локальное холодовое воздействие.
STOCHASTIC EVALUATION OF NEURO-MUSCULAR SYSTEM PARAMETERS OF HUMAN BODY UNDER LOCAL COLD EXPOSURE
D.V. BELOSHENKO, E.V. MAISTRENKO, YU.YU. KOROLEV, K.P. SHCHIPITSIN
Surgut State University, Ьепта pr., 1, Surgut, 628400, Russia
Abstract. The problem of studying territories with specific climate and environment features and their effects on conditions forming the living environment, comfort, adaptation capacity of human body and health in general is a very urgent problem for last decades for the northern territories of Russian Federation. Ecological and anthropogenous factors of the North create an adverse background for a functional condition of humans and related health of the person. In relation to the stated above there is a need in a new way to consider and predict individually and globally status of functional systems of people living in the territory of KhMAO - Yugra. In this work influence of short-term local cold exposure impact on neuromuscular system of human body has been studied by parameters of electromyograms.
Key words: electromyogramm, bioelectric muscle potential, chaos theory and self-organization, local cold exposure.
Введение. Организм, человека постоянно находится в тесной взаимосвязи с состоянием окружающей среды, которая оказывает непосредственное влияние на его регуляторные системы. В условиях Севера человек вынужден прежде всего адаптироваться к холоду, особенно в холодный период года, когда организм жителей Севера
находится в состоянии напряжения, что связано с необходимостью поддерживать температурный гомеостаз на должном уровне [1,2,10,11,17]. В связи с этим, изменения, возникающие в различных системах организма, так или иначе сказываются на деятельности двигательной системы, которая, таким образом, отражает поведение
организма как единого целого.
Исходя из этого вопросы изучения влияния холода на человеческий организм и все его системы в целом остается актуальными не только для территорий крайнего Севера, но и в целом для любых климатических зон проживания. В данной работе используется стохастический подход и метод анализа нервно-мышечной системы человека при изучении электромиограмм (ЭМГ), с позиций теории хаоса-самоорганизации. Исследуются параметры ЭМГ испытуемого в условиях локального охлаждения.
Объект и методы исследования. Объектом для наблюдения являлся испытуемый - девушка в возрасте 30 лет, проживающая на Севере РФ более 15 лет, которая подвергалась локальному холодово-му воздействию по стандартной методике [7,11,18]. Изначально испытуемая находилась в положении сидя с вытянутыми руками вдоль туловища в относительно комфортных условиях при полном отсутствии какой-либо нагрузки на мускулатуру. Испытуемой закреплялись 2 электрода: к мышце (передних пучков дельтовидной правой руки) отводящей мизинец кисти был прикреплен накожный вилочковый электрод с постоянным межэлектродным расстоянием, а к самой кисти (где находится лучезапястный сустав) был прикреплен заземляющий электрод. Находясь в комфортном сидячем положении испытуемой необходимо было сжимать рабочую часть динамометра (ДК) мышечной силой 10 де-каньютон (даН) кистью правой верхней конечности, вытянутой в горизонтальном положении. В течение 5 секунд по 15 раза записывались показания ЭМГ. Показатели снимались до и после локального холодо-вого воздействия. В режиме биполярного отведения с последующей регестрацией в памяти ЭВМ. Основа исследований - многократное повторение блоков [16,20].
Во всех случаях у испытуемой регистрировались ЭМГ с частотой дискретизации р=0.25 мс. Записи ЭМГ обрабатывались программным комплексом для формирования вектора х=(х1,х2)Т, где х}=х(^ - абсолютное значение биопотенциалов мыш-
цы (БПМ) на некотором интервале времени At, а х2 - скорость изменения Xj, т.е. x2=dxj/dt. Использовалось двухмерное пространство для расчета квазиаттракторов [4,5,9,19].
Статистическая обработка данных осуществлялась при помощи программного пакета «Statistica 6.1».Проверка данных на соответствие закону нормального распределения оценивалась на основе вычисления критерия Шапиро-Уилка. Дальнейшие исследования в зависимости от распределения производились методами параметрической и непараметрической статистики (критерий Вилкоксона). Систематизация материала и представленных результатов расчетов выполнялась с применением программного пакета электронных таблиц Microsoft Excel [10,12,14].
Результаты и их обсуждение. Статистическая обработка временной развертки сигнала электромиограмм (анализ спектра периодических биомеханических показателей человека) с помощью программы «Mio Ecg 2» были получены 20000 значений сокращений мышцы при каждом из многократных повторах до и после локального холодового воздействия. Все эти повторы были направлены на разработку методов индивидуальной медицине в которой необходимо учитывать эффект Еськова-Зинченко [3,13,15].
Для визуальной оценки данных, полученных с электромиографа, строилась временная развертка сигнала (рис. 1-2), которая преобразовывалась дискретизацией сигнала в некоторые числовые ряды. Выбраны первые 500 значений биоэлектрической активности мышцы (БАМ) в течении 0,125 сек. При анализе полученных временных рядов по данным электромиографии видно, что получаемый сигнал уникален. Это проявляется в хаотической динамики статистических функций распределения ЭМГ получаемых выборок. Невозможно подряд произвольно получить две одинаковые f(x) f (x) Ф fj+j (x)). Это и есть эффект Еськова-Зинченко [3,13,15,20].
На рис. 1 представлены наиболее типичные, выраженные амплитудные характеристики ЭМГ параметров сокращений
мышцы у испытуемого до и после локального холодового воздействия каждые 0,00025 сек в течении 0,125 сек.
800 700 600 500 а х 1 400 э 300
100 0
1, сек.
а)
800 700 600 500 ш а 5 400 э 300 200 100
1, сек.
б)
Рис.1. Динамика параметров электромиограмм: а) до локального холодового воздействия на испытуемого, б) после локального холодового воздействия на испытуемого. Здесь: по оси у -амплитуда напряжения (абсолютное значение биопотенциалов мышцы (мкВ)); по оси х - время (0,125 сек.)
Была отмечена различная динамика параметров ЭМГ при анализе 0,125-ти секундной временной развертки сигнала. Типичный пример представлен на рис.1, который демонстрируют существенную разницу в поведении значений амплитуд параметров ЭМГ во времени - до и после локального холодового воздействия у испытуемого. Наблюдается увеличение амплитуды параметров сокращения мышцы отводящей мизинец кисти правой верхней конечности испытуемого, находящейся в условиях физической нагрузки после локального холодового воздействия. Напряжение мышцы (ЭМГ) до локального холодового воздействия варьирует в районе 472,561 мкВ, после локального холодового воздей-
ствия - 474,613 мкВ, что подтверждается рис. 1.
Была произведена статистическая обработка динамики параметров ЭМГ (анализ 20000 значений сокращений мышцы) у испытуемого до и после локального холодового воздействия. Результаты проверки на нормальность типа распределения параметров ЭМГ по критерию Шапиро-Уилка показали, что значения параметров биоэлектрической активности мышцы имеют непараметрический тип распределения (распределение, отличное от нормального ^<0,05) следовательно, значения сокращения мышцы нужно описывать непараметрическими методами статистики [20].
Исходя из этого, для построения динамики значений параметров ЭМГ испытуемого до и после локального холодового воздействия были использованы значения медиан, что представлено на рис. 2.
Рис. 2. Динамика значений медиан параметров электромиограмм испытуемого до и после локального холодового воздействия (суперпозиция 20000 значений) при повторных экспериментах
Согласно рис. 2 следует отметить, что у испытуемого при повторных экспериментах после локального холодового воздействия наблюдается увеличение значения медиан параметров ЭМГ на 60,9 у.е. Это увеличение характерно для всего массива, но при разовых измерениях (парные сравнения) мы наблюдаем статистические различия выборок.
Подводя итог выше сказанному, отметим, что любое направленное холодовое воздействие изменяет значения параметров электромиограмм НМС человека, о чем свидетельствуют изменения значения ме-
диан сокращений мышцы. Полученный результат статистически значим, о чем говорят результаты табл., из которых видно, что при повторных экспериментах у испытуемого до и после локального холодового воздействия наблюдается достоверное различие по значениям медиан параметров ЭМГ чьи значения ниже критического уровня значимости (р<0,05).
Таблица
Уровни значимости для попарных сравнений значений медиан параметров электромиограмм испытуемого до и после локального холодового воздействия при повторных экспериментах с помощью непараметрического критерия Вилкоксона (Wilcoxon Signed Ranks Test)
Примечание: Т - сумма положительных и отрицательных рангов; наименьшая из двух сумм (независимо от знака) используется для расчета величины Z, по которой рассчитывается уровень значимости критерия; р - достигнутый уровень значимости при попарном сравнении с помощью критерия Вилкоксона (с измененным критическим уровнем значимости принятым равным р<0,05)
Литература
Заключение. Электромиограммы являются характерным примером хаотической динамики поведения параметров любой сложной биосистемы. Параметры ЭМГ (биоэлектрической активности мышцы), демонстрируют неповторимую динамику, которую невозможно изучать в рамках традиционной науки, т. е. детерменизма или стохастики. Функции распределения у испытуемого непрерывно изменяются при повторных экспериментах, а значит, любые статистические результаты имеют ежесекундный (для ЭМГ) характер изменения (хаотического). Статистический анализ параметров электромиограмм при повторных экспериментах до и после локального холо-дового воздействия демонстрирует определенную статистическую закономерность: образуются выборки с непараметрическим типом распределения, которые существенно отличаются до и после гипотермического воздействия. ЭМГ у напряженной мышцы до локального холодового воздействия отличается от биоэлектрической активности после локального холодового воздействия. Об этом свидетельствуют полученные статистически достоверные результаты.
References
Попарные сравнения медиан параметров ЭМГ N T Z p-уров.
До - после 15 0,00 3,40 0,00
1. Адайкин В.И., Брагинский М.Я., Есь- Adaykin VI, Braginskiy MY, Es'kov VM, Rusak SN, ков В.М., Русак С.Н., Хадарцев А.А., Фила- Khadartsev AA, Filatova OE. Novyy metod identifi-това О.Е. Новый метод идентификации хао- katsii khaoticheskikh i stokhasticheskikh parametrov тических и стохастических параметров ekosredy. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnolo-экосреды // Вестник новых медицинских giy. 2006;13(2):39-41. Russian.
технологий. 2006. Т. 13, № 2. С. 39-41.
2. Адайкин В.И., Берестин К.Н., Глущук А.А., Adaykin VI, Berestin KN, Glushchuk AA, Laza-Лазарев В.В., Полухин В.В., Русак C.H., Фи- rev BV, Polukhin VV, Rusak CN, Filatova OE. латова О.Е. Стохастические и хаотические Stokhasticheskie i khaoticheskie podkhody v otsenke подходы в оценке влияния метеофакторов на vliyaniya meteofaktorov na zabolevaemost' nasele-заболеваемость населения на примере niya na primere KhMAO-Yugry. Vestnik novykh ХМАО-Югры // Вестник новых медицин- meditsinskikh tekhnologiy. 2008;15(2):7-9. Russian. ских технологий. 2008. Т. 15, № 2. С. 7-9.
3. Веракса А.Н., Горбунов Д.В., Шадрин Г.А., Veraksa AN, Gorbunov DV, Shadrin GA, Strel'tso-Стрельцова Т.В. Эффект Еськова-Зинченко va TV. Effekt Es'kova-Zinchenko v otsenke parame-в оценке параметров теппинга методами trov teppinga me-todami teorii khaosa-теории хаоса-самоорганизации и энтропии samoorganizatsii i entropii. Slozhnost'. Razum. Post-// Сложность. Разум. Постнеклассика. 2016. neklassika. 2016;1:17-24. Russian.
№1. С. 17-24.
4. Гавриленко Т.В., Баженова А.Е., Балтико- Gavrilenko TV, Bazhenova AE, Baltikova AA, ва А.А., Башкатова Ю.В., Майстренко Е.В. Bashkatova YV, Maystrenko EV. Metod mnogo-
Метод многомерных фазовых пространств в оценке хаотической динамики тремора // Вестник новых медицинских технологий. 2013. № 1. С. 24-29.
5. Даянова Д.Д., Берестин Д.К., Вохми-на Ю.В. Моделирование показателей функциональных систем организма человека на основе двухкластерной трехкомпартмент-ной системы управления // Вестник новых медицинских технологий. 2014. Т. 21, № 4. С. 7-10.
6. Еськов В.М., Филатова О.Е., Фудин Н.А., Хадарцев А.А. Новые методы изучения интервалов устойчивости биологических динамических систем в рамках компартмент-но-кластерного подхода // Вестник новых медицинских технологий. 2004. Т. 11, № 3. С. 5-6.
7. Еськов В.М., Филатова О.Е., Фудин Н.А., Хадарцев А.А. Проблема выбора оптимальных математических моделей в теории идентификации биологических динамических систем // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2004. Т. 3, № 2. С. 150-152.
8. Еськов В.М., Еськов В.В., Филатова О.Е., Хадарцев А.А. Фрактальные закономерности развития человека и человечества на базе смены трёх парадигм // Вестник новых медицинских технологий. 2010. Т. 17, № 4. С.192-194.
9. Еськов В.М., Еськов В.В., Хадарцев А.А., Филатов М.А., Филатова Д.Ю. Метод системного синтеза на основе расчета межат-тракторных расстояний в гипотезе равномерного и неравномерного распределения при изучении эффективности кинезитера-пии // Вестник новых медицинских технологий. 2010. Т. 17, № 3. С. 106-110.
10. Еськов В.М., Филатов М.А., Буров И.В., Филатова Д.Ю. Возрастная динамика изменений параметров квазиаттракторов психофизиологических функций учащихся школ Югры с профильным и непрофильным обучением // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2010. Т. 9, № 3. С.599-603.
11. Еськов В.М., Баженова А.Е., Буров И.В., Джалилов М.А. Соотношение между теоремой Бернулли и параметрами квазиаттракторов биосистем // Вестник новых медицинских технологий. 2011. Т. 18, № 3. С. 332.
12. Еськов В.М., Хадарцев А.А., Козлова В.В., Филатова О.Е. Использование статистических методов и методов многомерных фа-
mernykh fazovykh prostranstv v otsenke khaoti-cheskoy dinamiki tremora. Vestnik novykh medit-sinskikh tekhnologiy. 2013;1:24-29. Russian.
Dayanova DD, Berestin DK, Vokhmina YV. Mod-elirovanie pokazateley funk-tsional'nykh sistem or-ganizma cheloveka na osnove dvukhklasternoy trekhkompartmentnoy sistemy upravleniya. Vestnik novykh medi-tsinskikh tekhnologiy. 2014;21(4):7-10. Russian.
Es'kov VM, Filatova OE, Fudin NA, Khadart-sev AA. Novye metody izucheniya intervalov ustoy-chivosti biologicheskikh di-namicheskikh sistem v ramkakh kompartmentno-klasternogo podkhoda. Vestnik novykh medi-tsinskikh tekhnologiy. 2004;11(3):5-6. Russian.
Es'kov VM, Filatova OE, Fudin NA, Khadart-sev AA. Problema vybora optimal'nykh matemati-cheskikh modeley v teorii identifikatsii biologicheskikh dinamicheskikh system. Sistemnyy analiz i upravlenie v biomeditsinskikh sistemakh. 2004;3(2):150-2. Russian.
Es'kov VM, Es'kov VV, Filatova OE, Khadart-sev AA. Fraktal'nye zakonomernosti razvitiya cheloveka i chelovechestva na baze smeny trekh paradigm. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2010;17(4):192-4. Russian.
Es'kov VM, Es'kov VV, Khadartsev AA, Filatov MA, Filatova DY. Metod sistemnogo sinteza na osnove rascheta mezhattraktornykh rasstoyaniy v gipoteze ravnomernogo i neravnomernogo rasprede-leniya pri izuchenii effektivnosti kineziterapii. Vest-nik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2010;17(3):106-10. Russian.
Es'kov VM, Filatov MA, Burov IV, Filatova DY. Vozrastnaya dinamika izmeneniy parametrov kva-ziattraktorov psikhofiziologicheskikh funktsiy uchashchikhsya shkol Yugry s profil'nym i nepro-fil'nym obucheniem. Sistemnyy analiz i upravlenie v biomeditsinskikh sistemakh. 2010;9(3):599-603. Russian.
Es'kov VM, Bazhenova AE, Burov IV, Dzhali-lov MA. Cootnoshenie mezhdu teoremoy Bernulli i parametrami kvaziattraktorov biosistem. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2011;18(3):332. Russian.
Es'kov VM, Khadartsev AA, Kozlova VV, Filatova OE. Ispol'zovanie statisticheskikh metodov i me-todov mnogomernykh fazovykh prostranstv pri ot-
зовых пространств при оценке хаотической динамики параметров нервно-мышечной системы человека в условиях акустических воздействий // Вестник новых медицинских технологий. 2014. Т. 21, № 2. С. 6-10.
13. Еськов В.М., Зинченко Ю.П., Филатов М.А., Поскина Т.Ю. Эффект Н.А. Бернштейна в оценке параметров тремора при различных акустических воздействиях // Национальный психологический журнал.
2015. № 4(20). С. 66-73.
14. Еськов В.М., Хадарцев А.А., Филатова О.Е., Хадарцева К.А., Литовченко О.Г. Проблема оценки эффективности лечения на основе кинематической характеристики вектора состояния организма // Вестник новых медицинских технологий. 2015. Т. 22, № 1. С. 143-152.
15. Зинченко Ю.П., Еськов В.М., Еськов В.В. Понятие эволюции Гленсдорфа-Пригожина и проблема гомеостатического регулирования в психофизиологии // Вестник Московского университета. Серия 14: Психология.
2016. № 1. С. 3-24.
16. Козлова В.В., Антонова Р.А., Баженова
A.Е., Поборский А.Н. Матрицы межаттрак-торных расстояний в оценке параметров организма человека при физических нагрузках / // Вестник новых медицинских технологий. 2012. Т. 18, № 2 С. 420.
17. Русак С.Н., Козупица Г.С., Филатова О.Е., Еськов В.В., Шевченко Н.Г. Динамика статуса вегетативной нервной системы у учащихся младших классов в погодных условиях г. Сургута // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20, № 4. С. 92-95.
18. Восстановительная медицина: Монография / Под ред. А.А. Хадарцева, С.Н. Гонтарева,
B.М. Еськова. Тула: Изд-во ТулГУ - Белгород: ЗАО «Белгородская областная типография», 2010. Т. I. 298 с.
19. Хадарцев А.А., Несмеянов А.А., Еськов В.М., Кожемов А.А., Фудин Н.А. Принципы тренировки спортсменов на основе теории хаоса и самоорганизации // Теория и практика физической культуры. 2013. № 9. С. 87-93.
20. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине / Есь-ков В.М., Хадарцев А.А., Козлова В.В. [и др.]// Том XI Системный синтез параметров функций организма жителей Югры на базе нейрокомпьютинга и теории хаоса-самоорганизации в биофизике сложных систем. Самара: Офорт, 2014. 192 с.
senke khaoticheskoy dinamiki parametrov nervno-myshechnoy sistemy cheloveka v usloviyakh akusti-cheskikh voz-deystviy. Vestnik novykh meditsins-kikh tekh-nologiy. 2014;21(2):6-10. Russian.
Es'kov VM, Zinchenko YP, Filatov MA, Poski-na TY. Effekt NA. Bernshteyna v otsenke parametrov tremora pri razlichnykh akusticheskikh voz-deystviyakh. Natsional'nyy psikhologicheskiy zhur-nal. 2015;4(20):66-73. Russian.
Es'kov VM, Khadartsev AA, Filatova OE, Khadart-seva KA, Litovchenko OG. Pro-blema otsenki effek-tivnosti lecheniya na osnove kinematicheskoy kha-rakteristiki vektora sostoyaniya organizma. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2015;22(1):143-52. Russian.
Zinchenko YP, Es'kov VM, Es'kov VV. Ponyatie evolyutsii Glensdorfa-Prigozhina i problema go-meostaticheskogo regulirovaniya v psikhofiziologii. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 14: Psik-hologiya. 2016;1:3-24. Russian.
Kozlova VV, Antonova RA, Bazhenova AE, Po-borskiy AN. Matritsy mezhattraktornykh rasstoyaniy v otsenke parametrov organizma cheloveka pri fizi-cheskikh nagruzkakh. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2012;18(2):420. Russian.
Rusak SN, Kozupitsa GS, Filatova OE, Es'kov VV, Shevchenko NG. Dinamika statusa vegetativnoy nervnoy sistemy u uchashchikhsya mladshikh klas-sov v pogodnykh usloviyakh g. Surguta. Vestnik novykh meditsin-skikh tekhnologiy. 2013;20(4):92-5. Russian.
Vosstanovitel'naya meditsina: Monografiya / Pod red. A.A. Khadartseva, S.N. Gontareva, V.M. Es'ko-va. Tula: Izd-vo TulGU - Belgorod: ZAO «Belgo-rodskaya oblastnaya tipografiya»; 2010. T. I. Russian.
Khadartsev AA, Nesmeyanov AA, Es'-kov VM, Kozhemov AA, Fudin NA. Printsipy trenirovki sportsmenov na osnove teorii khaosa i samoorgani-zatsii. Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. 2013;9:87-93. Russian.
Es'kov VM, Khadartsev AA, Kozlo-va VV, et al. Sistemnyy analiz, upravlenie i obrabotka informatsii v biologii i me-ditsine. Tom XI Sistemnyy sintez para-metrov funktsiy organizma zhiteley Yugry na baze neyrokomp'yutinga i teorii khaosa-samoorganizatsii v biofizike slozhnykh sistem. Samara: Ofort; 2014. Russian.
