CC BY
52
Раздел I.
БИОЛОГИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ. ФИЗИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА
УДК 52.045
СТОХАСТИЧЕСКИЕ И ХАОТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ МЕТЕОФАКТОРОВ НА ЗАБОЛЕВАЕМОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ХМАО-ЮГРЫ
В.И. АДАЙКИН, К.Н. БЕРЕСТИН, А.А. ГЛУЩУК, В.В ЛАЗАРЕВ,
В.В. ПОЛУХИН, С.Н. РУСАК, О.Е. ФИЛАТОВА*
Ханты-Мансийский автономный округ (Югра) часто определяют как природную экстремальную зону, предъявляющую повышенные требования к приспособительным возможностям организма и вызывающую изменения в работе всех его систем.
Здоровье людей, приехавших на север [1,6], очень часто отличается от нормы. Характерно особенное течение сердечнососудистых заболеваний, что связано с перестройкой и истощением регуляторных механизмов и функциональных систем (нарушением равновесия в вегетативной нервной системе в сторону ее парасимпатического отдела). В условиях севера человек вынужден, прежде всего, адаптироваться к холоду. В холодный период года организм жителей севера находится в состоянии напряжения, что связано с необходимостью поддерживать температурный гомеостаз на должном уровне. Состояние сердечнососудистой системы (ССС) жителей севера в холодный период года характеризуется наклонностью к усилению тонического напряжения периферических сосудов, повышением артериального давления и общего периферического сопротивления сосудов. Сдвиги в деятельности ССС могут проявляться и развитием артериальной гипертензии [4, 7].
В целом воздействие погоды на организм человека осуществляется через формирование приспособительных реакций на уровне ЦНС и ВНС, через закрепление условно рефлекторного влияния [2,5]. Отмечена корреляционная связь между изменениями температуры воздуха, относительной влажностью воздуха, атмосферного давления, магнитного поля Земли и психофизиологическими показателями - повышением максимального и пульсового давления, частотой сердечных сокращений, состоянием тревожности [6]. Среди климатических факторов одно из первых мест по степени воздействия на организм человека, прежде всего, сердечно-сосудистую систему (ССС), занимают непериодические, резкие сезонные, внутри и межсуточные перепады атмосферного давления и температуры воздуха. Установлено, что люди реагируют на изменение погоды не только в этот день, но и за 1 - 2 дня до и после перемены погоды. Хотя метеотропные факторы, стимулирующие ухудшение физиологического состояния людей, еще не изучены до конца, все же можно говорить о том, что действие погоды имеет сигнальный, а не прямой характер [7,9]. Причем, необходимо учитывать влияние климатических факторов не по отдельности, а в их взаимодействии. По климатическим характеристикам ХМАО-Югра может быть отнесена к резко континентальному климату с суровой продолжительной зимой (около 9 месяцев) и сравнительно теплым, коротким и стремительным летом. Средняя температура января от -18 °С до -23 °С, июля +16 °С до +20 °С. В данном регионе наибольшие значения давления отмечаются зимой, а наименьшие осенью и в конце лета. Реакции, возникающие под влиянием погодных факторов, в процессе становления метеопатологии называются «метеотропными», т.е. реакциями организма приспособительного характера, которые возникают при воздействии погодных условий. В свою очередь, способность факторов влиять на развитие патологических метеотропных реакций определяется как метеочувствительность или метеолабильность. В современной трак-
* СурГУ, 628400, г. Сургут, Энергетиков 14, СурГУ, (3462)524822, e-mail: evm@bf. surgu. ru
товке естествознания оценке метеорологических факторов с точки зрения их биологического действия на организм человека и на ряд связанных с ними процессов уделяется большое и пристальное внимание. Однако остаются дискуссионными вопросы, которые связаны с методологией выполнения оценки изменения параметров. В частности, продолжаются дискуссии по методам оценки параметров экосреды с позиций теории хаоса с одной стороны и традиционных подходов в рамках теории вероятности и математической статистики. Динамика естественных явлений часто носит флуктуационный характер и единственной моделью их до недавнего времени считали случайные, вероятностные процессы. Предполагалось, что исследуемый процесс есть решение системы стохастических уравнений, которые содержат источник случайности, так называемый белый шум. И решения эти, как результат фильтрации этого шума, тем более хаотичны и непредсказуемы, чем выше его дисперсия. Однако наблюдались эффекты возникновения причудливых, неповторяющихся колебаний в автономных системах, не имеющих внешних возбудителей (например, в некоторых электронных приборах с обратными связями, в нелинейных оптических и механических системах).
Поведение природных хаотических систем протекает в рамках аттракторов состояний. Именно в таких аттракторах находятся показатели метеофакторов - температуры (Т), давления атмосферного воздуха (Р), и влажности (Я) что весьма убедительно иллюстрируется в ряде наших примеров [3, 8]. Таким образом, организм северян функционирует под воздействием довольно жестких климатических факторов, оказывающих влияние на состояние здоровья в силу того, что часть резервов кар-дио-респираторной системы задействованы в процессах адаптации и направлены на формирование приспособительных реакций гомеостаза. Работа ряда систем организма в таких условиях не может не приводить к частому возникновению пред- и патологических сдвигов, особенно в тех системах и органах, где полно задействованы резервы и выражены адаптивные перестройки.
Объект и методы исследования. Объектом изучения являлся п.г.т. Федоровский Сургутского района ХМАО с населением 18400 человек в аспекте исследования функционального состояния сердечно-сосудистой системы (анализ количества обращений за скорой медицинской помощью жителей по поводу артериальной гипертензии) на фоне динамики погодных условий в период 2005- 2004 гг. Методы исследования основывались как на использовании ЭВМ и применении запатентованных авторских программ, разработанных в лаборатории биокибернетики и биофизики сложных систем при Сургутском госуниверситете, так и традиционных подходов и методологий математической статистики. В рамках теории хаоса и синергетики был выполнен анализ динамики поведения вектора состояния организма ВСОЧ (частота случаев обращения по поводу артериальной гипертензии) человека для т-мерного фазового пространства состояний. Для выявления оценки различий динамики поведения вектора состояния экосреды и обращаемости населения в 3-мерном фазовом пространстве состояний нами была выполнена обработка данных с использованием разработанного алгоритма - «Программы идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в т-мерном фазовом пространстве». В качестве системы рассматривалась модель 3-мерного фазового пространства, параллелепипед, внутри которого находится аттрактор поведения параметров метеосреды и показатель частоты случаев обращения населения п.г. Федоровский по поводу артериальной гипертензии. В рамках методов математической статистики проведен анализ динамики погодных условий на примере п.г. Федоровский в период 2004 - 2005 гг. с расчетом индексов изменчивости погоды (ИИП) по данным температуры атмосферного воздуха (Кф) или атмосферного давления (К(р)) для
каждого месяца и корреляционный анализ между показателями индексов изменчивости температуры воздуха (К^), атмосферного давления (К(р) и числом обращений в скорую медицинскую помощь К(а.г.)) по поводу гипертензии с помощью программ ЭОУ_ЮТ.ВА8 и NCORR.EL.BAS.
Результаты. За период 2004-2005гг год было зарегистрировано 1254 случая обращений жителей за скорой медицинской помощью по поводу артериальной гипертензии; рассчитаны индексы изменчивости погодных условий (по температуре (К)) и атмосферному давлению (Кт))); определены устойчивые корреляционные зависимости частоты обращений жителей по поводу артериальной гипертензии ^(а.г.)) с метеопараметрами среды. Наибольшее количество обращений жителей г. п. Федоровский за медицинской помощью по поводу артериальной гипертензии наблюдалось в зимние и осенние месяцы года, что соответствует высоким значениям рассчитанных индексов ИИП. Для сравнения, в табл. 1 мы приводим значения индексов изменчивости погоды по температуре (Ко) и атмосферному давлению (К(Р)) на фоне обращений жителей по поводу артериальной гипертензии за период 2004-2005 гг., а в табл. 2 - установленные коэффициенты корреляции частоты обращения в зависимости от рассчитанных индексов изменчивости погодных условий (К(Ц, К(Р)). Большие значения индексов К) и К(Р) отражают неблагоприятные для человека погодные условия и указывают на высокую вероятность ухудшения его самочувствия, а полученные значения коэффициентов корреляции Г(К(Р)^(а.р.)) и г^Шах.)) отражают устойчивую, высокую зависимость с погодными факторами.
Таблица 1
Значение индексов изменчивости погоды по температуре (Кда), атмосферному давлению (К(Р))
Месяц 2004 2005
К» Жа.г.) К» Ма.г.)
Январь 59 45 88 71 77 80
Февраль 62 69 79 36 68 83
Март 77 52 78 42 39 79
Апрель 23 43 67 57 27 76
Май 52 32 68 48 42 49
Июнь 47 20 52 20 43 54
Июль 6 16 27 26 23 53
Август 3 29 49 16 45 56
Сентябрь 17 47 55 23 43 65
Октябрь 39 45 44 29 45 53
Ноябрь 33 47 74 23 50 59
Декабрь 32 45 69 48 39 67
Здесь: К(а.г.) - число обращений за медпомощью по поводу артериальной гипертензии; - индекс изменчивости погодных условий по температуре;
К(р) - индекс изменчивости погодных условий по атмосферному давлению
Таблица 2
Значения коэффициентов корреляции частоты обращений жителей ^(а.г.)) г
2004 г. 2005 г.
N (а.г.) N (а.г.)
750 0,6 0,7 774 0,5 0,6
Здесь: К(а.г.) - число обращений жителей за медицинской помощью по поводу артериальной гипертензии; г^шах.)) - коэффициент корреляции частоты обращений с индексом изменчивости погодных условий по температуре; Г(к(Р),к(а.г.))- коэффициент корреляции частоты обращений с индексом изменчивости погодных условий по атмосферному давлению. В определении влияния экологического, в данном случае абиотического фактора (температура атмосферного воздуха и атмосферное давление) на организм человека необходимо определять не только его величину (абсолютное значение), но и режим, в котором он воздействует на организм (особенно параметры изменчивости).
Метод обработки данных (частота обращений жителей за медицинской помощью по поводу артериальной гипертензии на фоне влияния метеопараметров среды) с использованием авторской программы «Идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в т-мерном фазовом пространстве» позволил увидеть траекторию вектора состояния исследуемой системы, визуализацию скорости изменения и амплитуды параметра, оценить меру стохастической и хаотической динамики метеотропных реакций человека на фоне влияния погодных факторов, а также определить размеры аттракторов состояний путем анализа параметров трехмерного параллелепи-
педа - его объема V, геометрического центра щ и хаотического центра (координаты Хс) всех его переменных (К, Т, Р,) в 3-мерном фазовом пространстве состояний. В примере на рис. 1, 2 приводим фазовые портреты движения вектора состояний биосистемы в 3-мерном фазовом пространстве состояний в соответствующих координатах переменных для сезонов года с наибольшей (рис.1) и наименьшей частотой случаев обращения жителей (рис.2). лшиЭОНг
Рис.1. Суммарный аттрактор фазового пространства состояний с траекторией вектора обращаемости жителей (^ по поводу артериальной гипертензии в сочетании с метеопараметрами для января 2004 г.
Рис.2. Суммарный аттрактор фазового пространства состояний с траекторией вектора обращаемости жителей по поводу артериальной гипертензии в сочетании с метеопараметрами для июля 2004 г.
На рис.3-5 - гистограммы распределения значений переменных и коэффициент асимметрии выбранных фазовых параметров, по оси ординат - время, число дней.
иг-
23*
1 1 '1 . . . і 1 Ії1 1 1 1 ІО
Пп ГП р1 . ни п
ї Г'1 г —ІЯІ ж !_ г- ті
Рис.3. Иллюстрация суточных перепадов температуры по выборке месячной усредненной регистрации за январь 2004 г.
Д
А
■і
V
Рис.4. Иллюстрация суточных перепадов атмосферного давления по выборке месячной усредненной регистрации за январь 2004
Рис.5. Иллюстрация перепадов обращаемости жителей по поводу артериальной гипертензии по выборке месячной усредненной регистрации за январь 2004 г.
В табл. 3, 4 приведены результаты количественной обработки параметров аттракторов состояния системы и ряд значений, характеризующих хаотическую динамику поведения каждого из этих параметров для 2004 и 2005 гг.
Таблица 3
Параметры хаотических аттракторов и сравнение стохастических и хаотических распределений динамики метеопараметров и частоты обращаемости населения для разных месяцев 2004 г. в трехмерном фазовом пространстве (т = 3).
Янва ь 0 о -fc. Март 2004 Июль 2004 Октябрь 2004
K 31 K 31 K 31 K 31
X1 29 X1 39 12 12 X1 26
X2 25 X2 33 14 14 I X2 33
I X3 6 X3 7 4 4 X3 4
rX 3,12 rX 6,96 rX 2,18 rX 3,78
rX1 0,0701 rX1 0.1752 rX1 0.1129 rX1 0.1167
rX2 0,0507 rX2 0.0242 rX2 0.0899 rX2 0.0657
rX3 0,1944 rX3 0.1476 rX3 0.2903 rX3 0.1500
V 4350 V 9090 V 672 V 3432
е 0,0109 е 0,0119 е 0,147 е 0,0184
Z 0,077 Z 0,237 Z 0,277 Z 0,137
Таблица 4
Параметры хаотических аттракторов и сравнение стохастических и хаотических распределений динамики метеопараметров и частоты обращаемости населения для разных месяцев 2005 г. в трехмерном фазовом пространстве (т = 3)
Янва 05 20 ь р Март 2005 Июль 2005 Октябрь 2005
K 31 K 31 K 31 K 31
X1 26 X1 17 X1 13 X1 15
X2 44 X2 27 X2 17 X2 22
X3 6 X3 5 X3 5 X3 5
rX 3,63 rX 3,56 rX 1,92 rX 1,63
rX1 0.0509 rX1 0,0313 rX1 0,1352 rX1 0,0484
rX2 0.0762 rX2 0,0544 rX2 0,0104 rX2 0,0557
rX3 0.0699 rX3 0,0097 rX3 0,1516 rX3 0,1581
V 6864 V 4295 V 1105 V 1650
е 0,0112 е 0,0133 е 0,0146 е 0,010
Z 0,165 Z 0,239 Z 0,19 Z 0,136
В табл. 3 представлены следующие переменные и параметры аттрактора вектора состояний: К - число выполненных измерений; rX - показатель асимметрии, т.е. расстояние между точкой стохастического и хаотического центра по каждой грани m-мерного параллелепипеда; V - объем фазового пространства (параллелепипеда); _X1, _X2, _X3 - число интервалов разбиения для X1, X2, X3; X1 - температура (T, К°); X2 - атмосферное давление (P мм рт ст); X3 - частота обращаемости населения по поводу артериальной гипертензии (Ка.г.); Zs - общая погрешность; 0 - абсолютная характеристика отличий фактического распределения от гипотетического. Ообъемы фазового 3-мерного пространства для данной системы имеют достаточно высокие значения для месяцев с наибольшей обращаемостью населения по поводу артериальной гипертензии в течение 2004-2005гг для января (General value) V=4350^6864 и марта (General value) V=4295^9090, эти же показатели объемов параллелепипедов для осенне-летнего сезонов имеют более низкие значения - для июля (General value) V=672^1105 и октября (General value) V=1650^3432, что согласуется с более низкими показателями обращаемости населения в данное время года. Общий показатель
асимметричности (гХ), характеризующий меру разброса значений распределения рассматриваемых величин от статистических имеет различия в зимне-весенние и осенне-летние месяцы. В январе данный показатель колеблется в пределах: гХ=3,12^3,63; в марте гХ=3,56^6,96; в октябре гХ=1,63^3,78; а в июле этот показатель имеет диапазон значений гХ=1,92^2,18, что также согласуется с высокой частотой обращения населения по поводу артериальной гипертензии в зимне-весенние месяцы и сравнительно низкой частотой обращения в осенне-летние периоды года.
Выводы. Данный подход в оценке метеореакций человека путем измерения фазового пространства и его параметров дает средство для изучения поведения и режима хаотических систем, т.к. он позволяет представить их поведение в геометрической форме, а динамика экофакторов урбанизированных экосистем Севера (Р, Т) относится к хаотической зависимости.
Литература
1Авцын А.П. и др. Патология человека на Севере.- М.: Медицина, 1985.
2Агаджанян Н.А., Ермакова Н.В. Экологический портрет человека на Севере.- М.: КРУК, 1997.- 208с.
3.В.И. Адайкин и др.// ВНМТ.- Тула:ТулГУ.- 2006.- Т. Х111, №2.- С.39-41.
4.Еськов В.М. и др. Экологические факторы Ханты-Мансийского автономного округа. / Ч. II..- Самара: Офорт, 2004. (гриф РАН).- 172 с.
5.Еськов ВМ. Компартментно-кластерный подход в исследованиях биологических динамических систем (БДС). Монография.- Ч.1..- Самара: НТЦ, 2003.- 198с.
6.Экологические проблемы и здоровье населения города Сургута: Мат-лы науч. конф. «Медико-биологические проблемы здоровья человека на Севере».- Сургут: Дефис, 2002.- 141 с.
7. Зуевский В.П. и др. Окружающая среда и здоровье населения ХМАО.- Сургут.: СурГУ, 2001.- 70с.
8.Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине.- Ч. VI. / Под ред. А.А. Хадарцева, В.М.Еськова.- Самара: Офорт (гриф РАН), 2005. 196 с.
9. Хаснулин В.И. и др. // Бюллетень СО РАМН.- 2005.- №3 (117).- Новосибирск.
THE STOCHASTIC AND CHAOTIC APPROACHES TO ESTIMATION OF INFLUENCE METEOFACTORS ON DISEASES OF THE POPULATION (ON AN EXAMPLE UGRA)
V.I. ADAIKIN, K.N BERESTIN., A.A GLUSHUK., V.V. LAZAREV, V.V.
POLUCHIN, S.N. RUSAK, O.E. FILATOVA
Summary
In the present work the questions of meteodependence of the population on an example c.s. Fedorovski on a background of weather conditions external environments was presented. The theory of chaos and stochastic laws with the use of the author's programs was usefulness according to some medical examples.
Key words: meteotropic reactions, biological systems
УДК 616. 12-073.97
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НОЦИЦЕПТИВНЫХ РЕАКЦИЙ МЕТОДОМ СИМВОЛЬНОЙ ДИНАМИКИ У КРЫС ПРИ ЛОКАЛЬНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ПОЯСНОГО ПУЧКА
Ю.Б.АБРАМОВ*, А.Ю.КОЗЛОВ*, О.Н.КОНОВАЛОВ*, Л.В.МЕЗЕНЦЕВА*, Е. В. НИКЕНИНА *
В наших предыдущих исследованиях было показано, что специфической особенностью вегетативной составляющей болевой реакции является ее нестационарность, связанная с быстротой протекания перестроечных процессов регуляции сердечного ритма [1,3]. Для анализа таких процессов необходимо использовать адекватные математические методы. Ранее нами были проведены сравнительные оценки степени адекватности разных методов математического анализа ЭК-сигнала при болевой реакции, и установлена эффективность методов символьной динамики (СД), являющихся дальнейшим развитием теории хаоса [1,3].
* 125009, Москва, Моховая 11, кор.4, НИИ нормальной физиологии им.П.К.Анохина РАМН, лаборатория системных механизмов боли
