Оценка функционального состояния человека в условиях космического полета на основе анализа вариабельности сердечного ритма

На правах рукописи

Черникова Анна Григорьевна

ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА

14.03.08 – авиационная, космическая и морская медицина

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва 2010 г.

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук ГНЦ РФ -ИМБП РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор медицинских наук профессор

Баевский Роман Маркович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор медицинских наук профессор

Воронков Юрий Иванович

доктор биологических наук

Кулаичев Алексей Павлович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Российская медицинская академия

последипломного образования,

кафедра авиационной и космической

медицины

Защита диссертации состоится «______» 2010 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.01 при Государственном научном центре Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем Российской Академии наук по адресу 123007, Хорошевское шоссе, д. 76-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – ИМБП РАН.

Автореферат разослан «_______» 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Доктор биологических наук Левинских М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Сегодняшние успехи пилотируемой космонавтики были бы невозможны без интенсивного развития космической медицины, которая на основе использования новейших достижений науки и техники создала свои собственные оригинальные теоретические и практические разработки. В центре внимания космической медицины находится здоровый человек, и ее главной задачей является не столько распознавание болезней и их лечение, сколько оценка уровня здоровья и разработка мероприятий по его укреплению и сохранению [Григорьев, Баевский, 2007]. Специфика понятия здоровья в космической медицине заключается в том, что оно рассматривается как способность человека адаптироваться к условиям невесомости и выполнять программу полета на высоком профессиональном уровне, сохраняя при этом необходимые резервы для реадаптации к земным условиям после возвращения с орбиты.

Проблема оценки и сохранения функциональных резервов организма тесно связана с оценкой функционального состояния (ФС), под которым понимается интеграция активности различных физиологических систем, определяющая особенности осуществления деятельности [Большой психологический словарь, 2006]. Функциональное состояние имеет тоническую составляющую - базовый уровень активности основных физиологических систем (общий обмен, гормональный статус, соотношение активности парасимпатического и симпатического отделов вегетативной нервной системы) и фазические компоненты, формирующиеся при необходимости реализации определенных видов деятельности. Функциональное состояние вне деятельности рассматривается как фоновое. Одним из распространенных методов оценки функционального состояния организма является анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР), который получил широкое применение в клинической практике и прикладной физиологии [Баевский, Иванов, Чирейкин и др., 2001; Heart rate variability, 1996]. Этот метод, начиная с первых пилотируемых полетов [Газенко, Баевский, 1962; Парин и др., 1965, 1967], используется для исследования влияния факторов космического полета на человека. Он позволяет характеризовать функциональное состояние организма как результат работы регуляторных систем по сохранению гомеостаза и поддержанию равновесия между организмом и окружающей средой. Накоплен огромный опыт применения этого метода для исследования вегетативной регуляции функций в условиях космического полета и показана его важная роль в оценке функционального состояния организма космонавтов [Баевский и др., 2002; Fritsch-Yelle et al., 1996; Buttler et al., 1994]. При этом отдельные показатели ВСР отражают активность различных звеньев регуляторных механизмов, а их комплексная оценка дает возможность целостного представления о функциональном состоянии организма.

Существующие комплексные критерии оценки ФС по данным ВСР не всегда пригодны для характеристики и оценки тонких изменений ФС практически здоровых людей, что особенно важно при оценке ФС космонавтов. Вместе с тем, интерпретация результатов исследований по первичным показателям ВСР требуют опыта их применения и специальных знаний.

Часто затрудняет оценку и сравнение результатов исследований наличие индивидуальных особенностей [Турчанинова, Алферова и др., 2002; Baevsky, Bogomolov, Nikulina, 2000; Nyarko-Adomfen, 1992; Borchers et al., 2002].

Поскольку регистрация электрокардиограммы (ЭКГ) - обязательный элемент медицинского контроля в космосе, целесообразно использовать этот сигнал для получения дополнительной важной информации о функциональном состоянии космонавта. Таким образом, разработка новых подходов к оценке функционального состояния организма при действии факторов космического полета на основе показателей ВСР является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке нового методического подхода для оценки функционального состояния организма на основе анализа вариабельности сердечного ритма и его апробации в длительных космических полетах на международной космической станции (МКС).

Задачи исследования:

1. Изучение результатов анализа вариабельности сердечного ритма в ходе исследований на орбитальной станции (ОС) «Мир» и в наземных модельных экспериментах и разработка на их основе нового методического подхода для оценки функционального состояния организма человека.

2. Исследование воспроизводимости (устойчивости) получаемых результатов анализа ВСР при повторных полетах.

3. Изучение связи между оценками функционального состояния и типом вегетативной регуляции.

4. Апробация нового метода оценки функционального состояния космонавтов в длительных полетах на МКС.

5. Исследование возможности развития нового метода для решения задач прогнозирования функционального состояния.

Научная новизна. В работе впервые показана возможность количественной оценки функционального состояния организма по двум компонентам - степени напряжения регуляторных систем (СН) и их функциональному резерву (ФР), получаемым по данным анализа вариабельности сердечного ритма. На основе использования дискриминантного анализа разработана математическая модель в виде двух переменных, характеризующих степень напряжения регуляторных систем и их функциональный резерв. Предложен метод фазовой плоскости, позволяющий графически отображать функциональное состояние организма и его динамику в виде точки или вектора в пространстве состояний в координатах степени напряжения регуляторных систем и их функционального резерва.

В данной работе впервые показано, что реакции вегетативной нервной системы при воздействии факторов космического полета сохраняют свои индивидуально-типологические особенности при повторных полетах, совершаемых через 2-3 и даже 5-7 лет. Изменения функционального состояния в динамике адаптации к условиям длительной невесомости необходимо оценивать в зависимости от индивидуального типа вегетативной регуляции.

Впервые разработан вероятностный подход к оценке функционального состояния человека в условиях длительных космических полетов, при котором с учетом типа вегетативной регуляции определяется апостериорная вероятность отнесения к тому или иному классу состояний; при этом изменения вероятностных оценок имеют прогностический смысл, указывая на направленность адаптационного процесса.

Практическая значимость. Использование нового методического подхода при исследовании ВСР у членов экипажей МКС показало его практическую значимость для оценки ФС человека на разных этапах длительного космического полета. Показано, что рост функционального напряжения в ходе полета ведет к развитию донозологических состояний, и это повышает вероятность снижения ортостатической устойчивости и физической работоспособности в послеполетном периоде. Контроль направленности траекторий функционального состояния на фазовой плоскости позволяет проводить оценку ФС более быстро и наглядно, а применение вероятностного подхода - прогнозировать развитие возможных патологических отклонений. На примерах исследования летчиков гражданской авиации показана перспективность применения нового метода оценки функционального состояния при исследовании людей, работающих в стрессорных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан метод количественной оценки функционального состояния организма при действии факторов космического полета по данным анализа вариабельности сердечного ритма, основанный на вычислении двух комплексных показателей, характеризующих степень напряжения регуляторных систем (СН) и их функциональный резерв (ФР).

2. Показано, что реакции организма на воздействие факторов космического полета в значительной мере зависят от его индивидуально-типологических особенностей, которые сохраняются при повторных полетах, совершаемых через несколько лет. Поэтому оценка функционального состояния космонавтов в динамике адаптации к условиям длительной невесомости должна проводиться с учетом типа вегетативной регуляции.

3. Разработан вероятностный подход к оценке функционального состояния организма космонавтов, при котором, с учетом типа вегетативной регуляции в условиях невесомости, определяется вероятность развития одного их 4-х функциональных состояний (норма, донозологическое состояние, преморбидное состояние, патологическое состояние). На основе этих оценок введены 10 условных категорий риска развития патологии.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XIX съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань, 2004), на 26 международной конференции по гравитационной физиологии (Кельн, 2005), на VII научно-практической конференции «Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы» (Москва, 2005), на 17 международной конференции «Человек в космосе» (Москва, 2009).

Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая медицина» Ученого совета ГНЦ РФ – ИМБП РАН 20 ноября 2009 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 13 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов собственного исследования, практических рекомендаций, списка литературы. Текст работы изложен на 175 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 37 рисунков. Указатель литературы включает 133 отечественных и 64 зарубежных источников.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведено шесть серий исследований с участием 255 человек. В первой серии исследований проводился ретроспективный анализ данных ВСР у членов экипажей ОС «Мир» (1986 – 1999 г.г.) в различные сроки полета. Использованы данные телеметрической регистрации ЭКГ в отведении DS во время сеансов телеметрического медицинского контроля здоровья космонавтов на ОС «Мир» [Барсукова и др., 1983, 1998].

Таблица 1.

Характеристика проведенных исследований.

Серия исследований	Число человек в группе	Число исследований	Возраст (M ± m)	Аппаратура
Исследование членов экипажей ОС «Мир»	39	211	40,90 ± 0,9 ( 35 -55 лет )	Средства штатного медицинского контроля здоровья космонавтов на ОС «Мир» (Гамма)
Эксперимент со 120-суточной антиортостатичес-кой гипокинезией (АНОГ)	6	156	31,67 ± 3,0 ( 28 -36 лет )	Cardioscreen (Германия)
Эксперимент с 8-месячной изоляцией	4	64	41,5 ± 2,7 (37 - 48 лет )	Экспериментальный образец бортового прибора Пульс
Эксперимент «Пульс» на борту МКС	8	75	47,4 ± 1,4 ( 41 -54 года )	Бортовой прибор Пульс
Эксперимент «Пневмокард» на борту МКС	6	56	43,43 ± 1,6 ( 35 -48 лет )	Бортовой прибор Пневмокард
Прикладные исследования: А. Посетители оздоровительного центра Б. Лица летного состава гражданской авиации	192 49	192 49	46,59 ± 0,9 ( 38 - 63 года ) 56,17 ± 0,8( 39 – 64 года )	Комплекс «Варикард» Бортовой прибор Пневмокард
Итого:	304	803

Результаты исследований в наземных модельных экспериментах и среди лиц летного состава использовались для проверки эффективности разработанной методики определения функционального состояния применительно к задачам оценки риска развития патологии у профессиональных групп, работающих в стрессорных условиях. Исследования членов экипажей МКС проводились для проверки эффективности методики определения функционального состояния и оценки риска развития патологии в условиях космического полета. Исследования среди посетителей оздоровительного центра проводились с целью расширить диапазон изучаемых функциональных состояний и для построения математической модели функциональных состояний по данным анализа ВСР. Классификация состояний в этой группе проводилась на основе приципов донозологической диагностики [Баевский, Казначеев, 1978; Берсенева, 1991] с выделением патологических (Пат), преморбидных (Пр), донозологических (Д) состояний и состояния физиологической нормы (Фн).

Во всех сериях исследований анализировались данные в покое в течение 5-10 минут. У членов экипажей МКС анализировались результаты активной ортостатической пробы до полета и в послеполетный период (3-4-е сутки реадаптации к земным условиям)

Методика анализа ВСР. Анализ и физиологическая интерпретация показателей ВСР проводились в соответствии с рекомендациями группы Российских экспертов [Баевский, Иванов и др., 2001] и стандартам Европейского общества кардиологов и Северо-Американского общества электростимуляции и электрофизиологии [1996]. Кроме основных статистических, использовались и спектральные характеристики ВСР. Согласно существующим представлениям, парасимпатическая активность является основной составляющей высокочастотной (high frequency - HF) компонента спектра. По степени торможения активности автономного контура регуляции, за который ответственен парасимпатический отдел, можно оценить и активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. Мощность низкочастотного (low frequency -LF) компонента спектра ВСР характеризует состояние системы регуляции сосудистого тонуса. Очень низкочастотный компонент спектра (very low frequency - VLF) характеризует влияние высших вегетативных центров на сердечно-сосудистый подкорковый центр и может использоваться как маркер степени связи автономных (сегментарных) уровней регуляции кровообращения с надсегментарными, в том числе с гипофизарно-гипоталамическим и корковым уровнем [Флейшман, 1999; Хаспекова, 1996].

В процессе выполнения работы были получены новые комплексные показатели ВСР, характеризующие состояние регуляторных систем и функциональное состояние организма, которые расширяют и дополняют существующие толкования отдельных показателей и делают оценку функционального состояния более наглядной и эффективной.

Статистическая обработка результатов исследований проводилась с применением традиционных методов оценки достоверности различий [Боровиков, 2005; Ким и др., 1989]. Использовались критерии Стьюдента и Фишера, методы кластерного, корреляционного, факторного и дискриминантного анализа из пакета программ “Statistica 6”.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ вариабельности сердечного ритма у членов экипажей орбитальной станции «Мир» (ЭО-1 – ЭО-22)

Во время космического полета происходит перестройка системы вегетативной регуляции кровообращения, о чем свидетельствуют изменения статистических и спектральных показателей ВСР (таблицы 2, 3).

Таблица 2.

Изменения статистических показателей ВСР у космонавтов в покое на разных этапах космического полета (M±m).

Месяц полёта	1	2	3	4	5	6	7	Весь полет
ЧСС, уд/мин	62,02± 1,51*	63,85± 1,11	66,25± 1,36	66,55± 1,17*	64,13± 1,99	67,59± 2,16	63,57± 1,57	64,76± 0,54
SDNN, мс	65,79± 3,32	60,37± 2,56	63,52± 3,89	60,93± 2,29	63,65± 5,03	53,79± 4,64*	59,53± 3,21	61,56± 1,21
RMSSD, мс	40,13± 2,28*	37,80± 2,01	33,69± 2,52	36,81± 1,67	39,12± 2,57	31,46± 2,40*	31,59± 1,69*	36,45± 0,83
SI, у.е.	65,44± 6,63	68,54± 4,38	69,62± 6,94	77,98± 7,73	71,34± 8,95	85,48± 11,02	63,38± 6,65	71,62± 2,86
pNN50, %	16,62± 1,98	14,82± 1,70	11,22± 2,03	14,08± 1,37	17,34± 2,34*	10,50± 2,25	9,02± 1,17*	13,80± 0,69
Число аритмий, %	9,29± 4,41*	3,05± 1,07	8,93± 4,84*	4,10± 0,98	1,90± 0,43	1,86± 0,72	1,87± 1,31	4,77± 0,97
N	34	41	27	60	20	14	15	211

Примечание: * отмечены достоверные отличия (p 0,05) данных за каждый месяц от остальных.

Соотношение активности различных звеньев регуляции (вегетативный баланс) в ходе полета изменяется на фоне относительно стабильной частоты пульса (гомеостаз). На первом и пятом месяцах полета наблюдается более высокая активность автономного контура регуляции (pNN50, RMSSD). Четвертый месяц полета отличается достаточно высокой парасимпатической активностью (pNN50), но одновременно есть признаки усиления симпатического звена регуляции (снижение SDNN, рост ЧСС). Шестой месяц полета демонстрирует снижение парасимпатической (RMSSD, SDNN) и рост симпатической (ЧСС) активности. Седьмой месяц полета характеризуется снижением парасимпатической активности (pNN50, RMSSD).

Таблица 3.

Изменения показателей спектрального ВСР у космонавтов в покое на разных этапах космического полета (M±m)

Месяц полёта	1	2	3	4	5	6	7	Весь полет
HFp, мс-2	0,447± 0,056	0,436± 0,065	0,333± 0,041	0,411± 0,035	0,447± 0,067	0,261± 0,049*	0,269± 0,043	0,392± 0,020
LFp, мс-2	1,051± 0,109	1,006± 0,096	0,898± 0,143	1,006± 0,065	1,145± 0,161	0,907± 0,122	1,170± 0,144	1,025± 0,041
VLFp, мс-2	1,261± 0,160*	0,996± 0,111	0,928± 0,118	1,129± 0,110	1,094± 0,212	0,992± 0,129	0,828± 0,112	1,063± 0,051
HF, %	16,69± 1,55	17,32± 1,80	16,34± 1,57	16,37± 1,07	17,28± 1,72	12,03± 1,38*	11,36± 1,79*	15,83± 0,59
LF, %	38,77± 2,09	41,05± 2,39	39,82± 2,26	41,75± 1,53	42,19± 3,44	42,03± 3,63	50,77± 4,07*	41,67± 0,91
VLF, %	44,54± 2,79	41,63± 2,95	43,84± 2,72	41,87± 1,90	40,53± 3,80	45,94± 3,36	37,86± 4,40	42,51± 1,09
IC	7,62± 0,99	8,06± 1,18	7,22± 1,00	6,92± 0,59	6,02± 0,71	9,42± 1,73	10,63± 1,58*	7,77± 0,39
N	34	41	27	60	20	14	15	211

Примечание: * отмечены достоверные отличия (p 0,05)данных за каждый месяц от остальных.

По данным спектрального анализа в первый месяц полета отмечается достоверно более высокие значения мощности VLF (VLFp) на фоне относительного усиления парасимпатического тонуса. Это может быть связано с активностью надсегментарных, в частности, гипоталамических центров вегетативной регуляции [Хаспекова, 1996], которые генерируют медленные ритмы, передающиеся к сердцу через симпатическую нервную систему, и свидетельствовать о напряжении регуляторных механизмов в момент их активной перенастройки в начальный период адаптации к невесомости. В дальнейшем достоверное снижение VLF отмечалось, начиная со 2-го месяца полета, наблюдается также снижение показателя IC с 3-го месяца полета. Одновременно снижается и мощность волн HF диапазона, что говорит об ослаблении парасимпатических влияний.

Изменения показателей, отражающих активность различных звеньев регуляции (SDNN, RMSSD, pNN50, ЧСС, HFp и VLFp), говорят о возникновении новых взаимодействий регуляторных механизмов и о циклическом характере адаптационных реакций, что подтверждает известные данные о стадиях адаптации к воздействию факторов космического полета [Григорьев, Егоров, 1997].

Как известно, регуляция физиологических функций обеспечивается деятельностью различных структур, оказывающих свое специфическое влияние и на регуляцию сердца и сосудов. Об особенностях систем регуляции сердечного ритма можно судить по данным факторного анализа корреляционной матрицы показателей ВСР (см. таблицу 4). Полученные факторы можно считать формализованным обобщенным отражением реальных физиологических механизмов, регулирующих вариабельность ритма сердечных сокращений в условиях космического полета.

Таблица 4.

Результаты факторного анализа показателей ВСР

у космонавтов в условиях космического полета.

Фактор, (% объясняемой дисперсии)	Показатели ВСР		Физиологическая интерпретация фактора
	+ вклад	- вклад
Фактор 1. (24,85%)	SDNN, СV, MxdMn, TP, pNN50, HFp,RMSSD, LFp, VLFp	SI, ЧСС, AMo	Активность регуляторных систем и функциональный резерв (ФР). Снижение ВСР связано со снижением ФР.
Фактор 2. (15,75 %)	HFp, HF%	IC, LFp/HFp, VLF%	Парасимпатический компонент регуляции.
Фактор 3. (13,18 %)	VLF% LFt	LF%	Соотношение симпатической вазомоторной активности и надсегментарного, или нейрогу-морального, компонента вегетативной регуляции.
Фактор 4. ( 12,46 %)		ЧСС HFt	Экономичность гомеостаза.
Фактор 5. (4,68 %)	VLFt N0		Стабилизирующий эффект симпатической регуляции.

Важным результатом проведенных исследований стало выявление достоверных корреляционных связей между различными факторами на каждом этапе полета (таблица 5). Так как факторы отражают функционирование относительно независимых механизмов регуляции, можно предполагать, что появление значимых корреляций между ними начиная с пятого месяца полета означает усиление межсистемных взаимосвязей, обеспечивающих взаимодействие различных регуляторных механизмов в сохранении сердечно-сосудистого гомеостаза на уровне, оптимальном для удовлетворительной адаптации.

Таблица 5.

Результаты корреляционного анализа факторов регуляции сердечного ритма в различные сроки космического полета.

Месяц полета	1	2	3	4	5	6	7
Сумма модулей корреляций факторов	1,59	1,31	1,47	1,33	2,76	2,17	2,32
N	34	41	27	60	20	14	15

Как показали наши исследования, реакции системы вегетативной регуляции имеют выраженный индивидуальный характер. На рис. 1 показаны средние за полет значения показателей ЧСС (сердечно-сосудистый гомеостаз) и RMSSD (парасимпатическая активность) у отдельных космонавтов (F, C, K и т.д.), совершавших повторные полеты (1, 2, 3). Очевидно, что тип вегетативной регуляции в условиях космического полета сохраняется в разных полетах. Такая устойчивость реакций дает основание для выделения типов вегетативной регуляции во время космического полета и для их учета при оценке функционального состояния.

ЧСС, уд/мин

RMSSD, мс

Рис. 1. Устойчивость индивидуальных реакций системы вегетативной регуляции при повторных полетах.

Тип вегетативной регуляции оценивается как в состоянии покоя, так и при различных пробах. А.М. Вейн с соавт., [1981, 1991] рекомендует при диагностике и лечении вегето-сосудистой дистонии учитывать исходный тип вегетативной регуляции: ваготонический, нормотонический и симпатотонический. Проведение кластерного анализа по основным показателям ВСР позволило выделить 4 типа вегетативной регуляции в условиях космического полета (рис. 2): I тип – ваготонический, II – нормотонический, III – промежуточный, нормо-симпатотонический, IV – симпатотонический. Они достоверно отличаются по показателям ЧСС, SI, SDNN, CV, и RMSSD, то есть, по вегетативному балансу и уровню функционирования системы кровообращения.

Рис. 2. Средние значения ЧСС (уровень функционирования системы кровообращения) и RMSSD (активность парасимпатического отдела вегетативной нервной системы) для разных типов вегетативной регуляции у космонавтов во время длительных космических полетов на ОС «Мир».

Таким образом, в ходе длительного полета достоверно изменяется функциональное состояние организма космонавтов. В условиях невесомости сохранение сердечно-сосудистого гомеостаза на уровне, оптимальном для успешной адаптации, требует перенастройки регуляторных механизмов, что подтверждается данными корреляционного и факторного анализа. При этом четко выявляются стадии адаптации к воздействию комплекса факторов космического полета. Если в начальный период полета (первый месяц) вегетативный баланс смещен в сторону усиления активности механизмов парасимпатической регуляции, то затем в процесс адаптации все более активно включаются центральные уровни управления физиологическими функциями. После периода относительно устойчивой адаптации (с третьего по пятый месяц полета) при дальнейшем увеличении длительности полета для сохранения удовлетворительной адаптации организма к условиям невесомости требуется мобилизация функциональных резервов, дополнительная активация и взаимодействие регуляторных систем. Важно отметить, что индивидуальные реакции системы вегетативной регуляции при повторных полетах сохраняются.

Разработка математической модели для оценки функционального состояния организма по данным анализа вариабельности

сердечного ритма.

Для сравнительной оценки физиологической нормы с другими возможными функциональными состояниями был проанализирован массив данных, полученных при обследовании группы лиц, посещающих лекции и занятия по проблемам здорового образа жизни в одном из оздоровительных центров Москвы (референтная, или нормативная группа). Метод оценки степени напряжения регуляторных систем по ПАРС позволяет выделить, согласно принципам донозологической диагностики, состояния физиологической нормы (значения ПАРС от 1 до 3), донозологические, преморбидные и патологические состояния. Наряду с комплексным показателем ПАРС анализировали также основные общепринятые показатели ВСР. Такой подход позволил существенно расширить диапазон оцениваемых функциональных состояний.

Таблица 6.

Средние значения основных показателей ВСР для лиц нормативной группы

Показатели ВСР	Классы функциональных состояний в нормативной группе
	1 Физиологическая норма	2 Донозологические состояния	3 Преморбидныее состояния	4 Патологические состояния
ЧСС, уд/мин*	75,4±0,96	82,4±1,41	80,9±1,13	94,8±3,06
pNN50, %*	12,24±1,43	1,88±0,36	0,40±0,14	0,57±0,53
SI, у.е.*	124,0±5,6	320,5±9,5	636,7±24,9	1374,3±107,5
ПАРС, балл*	2,97±0,16	3,93±0,15	4,96±0,22	6,55±0,21
TP, мс-2	2,73±0,23	0,86±0,03	0,40±0,02	0,23±0,02
HF, %*	23,25±2,07	18,17±2,12	19,01±2,05	13,20±3,17
LF, %	41,24±2,02	42,62±2,27	38,31±3,11	36,36±4,25
VLF, %	36,47±2,21	40,70±2,17	43,57±3,20	51,57±3,43
Возраст	43,1 28-79 лет	48,6 30-65 лет	51,5 35-64 лет	51,1 40-74 лет

Примечание: * отмечены достоверные межгрупповые отличия (p 0,05)

Для выделения наиболее информативных показателей ВСР, характеризующих различные классы состояний и позволяющих более детально исследовать состояние физиологической нормы был использован дискриминантный анализ. Из нормативной группы при помощи кластерного анализа были выделены четыре подгруппы с различными функциональными состояниями (использовались показатели HR, SI, ПАРС и относительные мощности частотных диапазонов ВСР). В таблице 6 представлены средние значения основных показателей ВСР для лиц нормативной группы при разделении их на подгруппы по результатам кластерного анализа.

Подгруппа 1 отличается нормальными значениями ЧСС, SI и остальных показателей, что позволяет характеризовать функциональное состояние лиц этой подгруппы как физиологическую норму. Состояния лиц в подгруппе 2 можно отнести к донозологическим, учитывая существенно повышенное значение SI, относительно высокую для условий покоя ЧСС, низкие значения TP и pNN50. Для подгруппы 3 величина показателя ПАРС указывает на наличие преморбидных состояний, что подтверждается весьма высоким значением SI и резко сниженным pNN50. Подгруппу 4 отличает выраженная тахикардия, очень высокий SI, указывающий на перенапряжение регуляторных систем, увеличение VLF, отражающее резкую активацию надсегментарных отделов симпатической регуляции. Все это дает основание отнести состояние подгруппы 4 к категории патологических.

С целью получения решающих правил для распознавания выделенных классов состояний был применен метод пошагового дискриминантного анализа. При этом автоматически были выделены наиболее информативные показатели, которые позволяют с высокой точностью распознавать отдельные функциональные состояния. Были получены уравнения дискриминантной функции, позволяющие характеризовать каждую подгруппу двумя каноническими переменными, являющимися координатами фазовой плоскости (пространства состояний). Уравнения дискриминантной функции в стандартизованной форме для первых двух канонических переменных L1 и L2 имеют следующий вид:

L1 = -0,112*ЧСС - 1,006*SI - 0,047*pNN50 - 0,086*HF% (1);

L2 = 0,140*ЧСС - 0,165*SI - 1,293*pNN50 +0,623*HF% (2);

Переменная L1 является индикатором мобилизующей функции регуляторных механизмов (максимальный вес в ней имеют SI и ЧСС), поэтому ее можно рассматривать как показатель функциональных резервов (ФР), которые мобилизуются и могут быстро истощаться при росте симпатической активности. Переменная L2, связанная с показателями активности парасимпатического отдела (pNN50, HF), отражает защитную функцию регуляторных механизмов и состояние вегетативного баланса по изменениям активности парасимпатического отдела вегетативной нервной системы, т.е. можно считать, что она характеризует степень напряжения регуляторных систем (СН). Значения ФР и СН рассматривались как координаты фазовой плоскости, образующей пространство функциональных состояний.

Рис. 3. Пространство функциональных состояний, формируемое по результатам анализа ВСР с помощью математической модели, и средние значения показателей СН и ФР для каждого из классов нормативной группы, для группы космонавтов во время полета (КП), и для отдельных этапов наземных экспериментов с 8-месячной изоляцией и 120-суточной АНОГ.

Геометрические центры подгрупп с различными функциональными состояниями представлены на рис. 3. Подгруппы располагаются на фазовой плоскости таким образом, что физиологическая норма характеризуется положительными значениями ФР и отрицательными значениями СН. Центр этой подгруппы находится в нижнем правом квадранте фазовой плоскости. Остальные подгруппы расположены в других квадрантах: донозологические состояния - в верхнем правом, преморбидные состояния - в верхнем левом, патологические состояния – в нижнем левом квадранте. Здесь же отмечены усредненные значения СН и ФР для различных экспериментальных групп. Показано, что изменение состояния космонавтов во время полета и испытателей-добровольцев на отдельных этапах наземных экспериментов меняется, в основном, за счет увеличения степени напряжения регуляторных систем и смещения в сторону донозологических состояний.

Вероятностный подход к оценке риска развития

патологических отклонений в космическом полете.

Расчет апостериорных вероятностей по результатам анализа ВСР позволяет отнести состояние каждого человека к одному из четырех описанных выше функциональных состояний по показателям ФР и СН. Принадлежность к конкретному классу состояний определяется по наибольшей вероятности. При этом имеются и оценки вероятности других функциональных состояний. Таким образом, сами значения апостериорных вероятностей могут использоваться в качестве оценочных критериев. Вероятностный подход к оценке функционального состояния чрезвычайно важен для системы медицинского контроля, так как позволяет прогнозировать возможные изменения уровня здоровья. Для практики космических полетов наиболее существенно то, что расстройства нейрогуморального оптимума, проявляющиеся и в изменениях показателей вариабельности сердечного ритма, значительно опережают по времени метаболические и структурные нарушения в исполнительных органах [Баевский, 1979].

Рис. 4. Десять категорий риска развития патологии при воздействии на организм комплекса стрессорных факторов космического полета. (Фн – физиологическая норма, Д – донозологические, Пр – преморбидные, Пат – патологические состояния).

Донозологическое состояние при значительном снижении функциональных резервов и выраженном напряжении регуляторных систем может перейти в преморбидное состояние, которое является показателем высокого риска развития дезадаптации и патологического состояния. При появлении донозологического состояния риск развития патологии возрастает по сравнению с состоянием физиологической нормы. При высокой вероятности преморбидного состояния риск развития патологии еще более возрастет. Мы ввели 10 условных категорий риска развития патологии. Чем выше категория риска, тем больше риск развития патологии. На рис. 4 дана схема определения риска развития патологии в космическом полете на основе расчета вероятности различных функциональных состояний.

Предлагаемая схема, конечно, нуждается в дальнейшем усовершенствовании, однако принципиальная сущность подхода к оценке риска развития патологии нам представляется достаточно обоснованной. Алгоритм распознавания различных функциональных состояний и определения риска развития патологии по оценкам вероятности включает следующие 4 этапа.

1) Определение типа вегетативной регуляции по результатам исследований в покое, проведенных на 2-3 месяцах полета, когда острый период адаптации к условиям невесомости уже закончился.

2) Определение функционального состояния по решающим правилам с учетом типа вегетативной регуляции на основе дискриминантных функций.

3) Вычисление апостериорных вероятностей развития каждого из 4-х классов функциональных состояний.

4) Оценка категории риска развития патологии.

Вероятностный подход при оценке функционального состояния членов экипажей Международной космической станции.

Метод вероятностной оценки функционального состояния организма и риска развития патологии (дезадаптации) в условиях космического полета был апробирован для оценки результатов исследований у членов экипажей МКС. По результатам анализа ВСР на последних месяцах полета (5-й и 6-й), согласно описанному алгоритму с учетом типа регуляции были рассчитаны показатели функциональных резервов (ФР) и степени напряжения (СН), вероятностные оценки и определены категории риска. Были выделены 3 группы риска патологии (табл. 7) по категориям риска и их динамике.

Первая группа характеризовалась стабильно низким риском (1-2 категории) и достоверно более высокими функциональными резервами и более низкой степенью напряжения. Во 2-й и 3-й группах встречались и более высокие категории риска (1-4 категории), были снижены функциональные резервы и повышена степень напряжения, но они отличались направленностью изменения риска к концу полета: снижением категории риска во 2-й группе и повышением – в 3-й группе.

Таблица 7.

Группы риска по данным анализа ВСР у членов экипажей МКС

в конце полета (5-6 месяцы).

Группа риска	Средняя категория риска	Тренд риска	ФР	СН	Вероятность состояния физиологической нормы	Вероятность донозологического состояния	N
1	1,4	-0,25	1,85	-0,33	0,83	0,17	4
2	2,7	-1,33	1,68	0,78	0,59	0,40	6
3	3,0	1,5	1,48	0,74	0,54	0,46	4

Сравнение данных послеполетных исследований с выполнением активной ортопробы (рис. 5) до полета и в период реадаптации (3-4 сутки после посадки) показало, что выделенные с помощью вероятностного подхода группы риска существенно отличаются по функциональному состоянию в покое (лежа) и при выполнении активной ортостатической пробы (стоя).

У космонавтов из третьей группы риска, результаты исследования которых в конце полета показали не только снижение функциональных резервов и повышение степени напряжения, но и отрицательную динамику состояния, на 3-4 сутки после посадки во время выполнения активной ортопробы достоверно выше ЧСС, выше SI и ниже TP в положении лежа и стоя. Также очень важно, что у космонавтов из третьей группы риска наблюдается существенно иная реакция вазомоторного центра на изменение положения тела. В этой группе относительная мощность LF компонента спектра (показатель активности вазомоторного центра) снижается при переходе из положения «лежа» в положение «стоя». В норме переход из положения "лежа" в положение "стоя" ведет к значительному увеличению мощности в этом диапазоне колебаний ВСР. Активность вазомоторного центра падает с возрастом и этот эффект практически отсутствует, а вместо LF, увеличивается мощность VLF. Это означает, что процесс регуляции артериального давления осуществляется при участии неспецифических механизмов путем активации симпатического отдела вегетативной нервной системы [Флейшман, 1999]. Такая реакция на ортостатическую нагрузку у космонавтов из третьей группы риска дополнительно свидетельствует о снижении их функциональных возможностей в период реадаптации.

Рис. 5. Результаты активной ортостатической пробы до полета и в период реадаптации (3-4 сутки после посадки) в группах риска, выделенных в конце 6-ти месячного полета по результатам анализа ВСР, у членов экипажей МКС (* - отличие от 1-й группы, ** - отличие от 2-й группы, p 0,05).

Вероятностный подход при оценке функционального состояния

у профессиональных групп, работающих в стрессорных условиях.

Метод вероятностной оценки функционального состояния организма и риска развития патологии (дезадаптации) был апробирован при проведении врачебной экспертизы среди лиц летного состава гражданской авиации в ЦКБ ГА [Кабулова, Зипа и др., 2009]. Пилоты, признанные не годными к продолжению летной работы в силу наличия у них ряда клинически выраженных нозологических форм, в основном гипертоническая болезнь и атеросклероз, отличаются более высоким напряжением регуляторных механизмов, которое является следствием снижения функциональных резервов. Эти лица отличаются более низкими адаптационными возможностями и, следовательно, имеется более высокий риск развития у них патологии. Этот вывод подтверждается количественными оценками риска, на основе использования разработанного нами вероятностного подхода к анализу ВСР.

Рис. 6. Вероятность различных функциональных состояний в группах пилотов, признанных годными и не годными к летной работе (* - отличие групп, p 0,05).

Сравнение вероятностных оценок в группах летчиков старше 40 лет, признанных врачебной экспертной комиссией годными и негодными к продолжению летной работы (рисунок 6), показало, что в обеих группах вероятность наличия донозологических состояний примерно одинакова (0,48 vs 0,59). Эти группы достоверно отличаются по соотношению вероятностей состояния физиологической нормы и преморбидных состояний, что существенно меняет категорию риска. В группе признанных годными к продолжению летной работы в среднем можно говорить о второй категории риска, а в группе признанных негодными – о четвертой-пятой.

ВЫВОДЫ.

1. Изменения функционального состояния организма, обусловленные процессами его адаптации к условиям длительного космического полета, связаны с перенастройкой отдельных звеньев регуляторного механизма и характеризуются соответствующими изменениями показателей вариабельности сердечного ритма.

2. Использование факторного анализа позволило изучить системные механизмы регуляции сердечного ритма при длительном действии невесомости и выделить следующие четыре основных фактора, которые объясняют 72,3 % всех изменений вариабельности сердечного ритма: а) функциональный резерв регуляторного механизма; б) парасимпатический компонент вегетативной регуляции; в) симпатический (вазомоторный и нейрогуморальный) компонент вегетативной регуляции; г) фактор сердечно-сосудистого и респираторного гомеостаза.

3. В наземных экспериментах со 120-суточной АНОГ и 8-месячной изоляцией показано, что в ходе воздействия наблюдалось постепенное смещение вегетативного баланса в сторону усиления активности симпатического звена регуляции, которое сопровождалось снижением функционального резерва регуляторных механизмов.

4. Для количественной оценки изменений функционального состояния организма при действии факторов космического полета разработана математическая модель, использующая показатели вариабельности сердечного ритма. Эта модель в виде двух уравнений дискриминантной функции позволяет характеризовать функциональное состояние организма в пространстве состояний, образуемом координатами двух канонических переменных: 1) СН – степень напряжения, 2) ФР - функциональный резерв.

5. Реакции организма на воздействие факторов космического полета в значительной мере зависят от его индивидуально-типологических особенностей, которые сохраняются при повторных полетах, совершаемых через несколько лет. Учет типа вегетативной регуляции при оценке функционального состояния космонавтов в динамике адаптации к условиям длительной невесомости позволяет прогнозировать характер адаптационных реакций в полете.

6. На основе математической модели функциональных состояний и с учетом индивидуальных типов вегетативной регуляций разработан вероятностный подход к оценке функциональных состояний при действии факторов космического полета. При этом оценивается риск развития последовательно донозологических, преморбидных и патологических состояний.

7. Введено 10 категорий риска развития патологии. Предложен алгоритм расчета риска развития патологии при воздействии факторов длительного космического полета. Произведен расчет риска развития патологии у Российских членов экипажей МКС. Повышение степени риска развития уже донозологических состояний в конце полета является прогностически неблагоприятным признаком снижения функциональных возможностей космонавта в период реадаптации к земным условиям.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанный метод количественной оценки функционального состояния организма космонавтов целесообразно использовать в системе медицинского контроля здоровья членов экипажей в ходе кратковременных и длительных экспедиций.
2. Вероятностный подход к оценке риска развития патологии может быть полезным для прогнозирования вероятных патологических отклонений при действии факторов длительного космического полета.
3. Математическая модель функциональных состояний организма может быть рекомендована для применения при анализе изменений функционального состояния испытателей в экспериментах, моделирующих воздействие на организм факторов космического полета. Это позволит глубже изучить и лучше понять механизмы наблюдаемых изменений функционального состояния.
4. Предложенная методология математического моделирования функциональных состояний организма с оценкой степени напряжения регуляторных систем и их функционального резерва может быть использована в различных областях клинической медицины и прикладной физиологии, в частности, в области врачебно-летной экспертизы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Баевский Р.М., Поляков В.В., Мозер М., Никулина Г.А., Фунтова И.И., Черникова А.Г Адаптация системы кровообращения к условиям длительногой невесомости: баллистокардиографические исследования во время 14-месячного космического полета.. Космическая биология и авиакосмическая медицина. 1998. № 3. С. 23.
2. Бреус Т.К., Баевский Р.М., Никулина Г.А., Чибисов С.М., Черникова А.Г., Пухлянко М., Ораевский В.Н., Халберг Ф, Корнелиссен Ж, Петров В.М. Воздействие геомагнитной активности на организм человека, находящегося в экстремальных условиях, и сопоставление с данными лабораторных наблюдений. Биофизика, 1998, т. 43, вып. 5, c 811-818.
3. R. M. Baevsky, M. Moser, G. A. Nikulina, V. V. Polyakov, I. I. Funtova and A. G. Chernikova. Autonomic regulation of circulation and cardiac contractility during a 14-month space flight. - Acta Astronautica. Volume 42, Issues 1-8, January-April 1998, Pages 159-173.
4. Баевский P.M., Семенов Ю.Н., Черникова А.Г. Анализ вариабельности сердечного ритма с помощью комплекса "Варикард" и проблема распознавания функциональных состояний. М.. 2000.С. 167-178.
5. Баевский Р.М., Никулина Г.А., Фунтова И.И., Черникова А.Г. Вегетативная регуляция кровообращения. В кн: // Орбитальная станция МИР. М.: Аником, 2001. Т. 2., с.36-68
6. Баевский Р.М., Черникова А.Г. К. проблеме физиологической нормы: математическая модель функциональных состояний на основе анализа вариабельности сердечного ритма. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2002, №5. с.с. 34-37.
7. Баевский Р.М., Черникова А.Г., Длительная гипокинезия как фактор риска. - Материалы 4-го Международного Конгресса по патофизиологии (Будапешт, 29.06-5.07.2002), с. 192 - 196.
8. Черникова А.Г., Баевский Р.М. Математические модели функционального состояния организма на основе анализа вариабельности сердечного ритма. Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и практическое применение. Тез. докл. междунар. симпозиума. Ижевск 2003; 185-186.
9. Баранов В.М., Баевский Р.М., Фунтова И.И., Черникова А.Г., и др. Исследование регуляции кровообращения и дыхания на борту Международной космической станции. - Организм и окружающая среда. Адаптация к экстремальным условиям. М., 2003, с.38-41.
10. Baevsky R.M., Chernikova A.G. Heart rate variability analysis in evaluation of functional state in humans during long-term space flight.// Adv. Space Res., 1998, v. 2, No2, 14 Man in Space Symposium, Banff, Alberta, Canada, May 2003.
11. Баевский Р.М., Сыркин А.Л., Ибатов А.Д., Соболев А.М. Черникова А.Г. Оценка адаптационных возможностей организма и проблемы восстановительной медицины. - Вестник восстановительной медицины, 2004, 2, с. 18-22.
12. Baevsky R.M., Chernikova A.G., Funtova I.I, Pashenko A.V, Tank J. Тhe autonomous regulation system functional reserves evaluation in 7-day head down bedrest. // Gravitational Biology, 2004, v.11, No.2, p 91-92.
13. Shiraishi M, Kamo T, Kamegai M, Baevsky RM, Funtova II, Chernikova A, Nemoto S, Hotta M, Nomura Y, Suzuki T. Periodic structures and diurnal variation in blood pressure and heart rate in relation to microgravity on space station MIR. - Biomed Pharmacother. 2004 Oct;58 Suppl 1:p31-4.
14. Баевский Р.М., Черникова А.Г., Фунтова И.И. Оценка функционального состояния и типа вегетативной регуляции системы кровообращения в условиях космического полета по данным анализа вариабельности сердечного ритма. – В сб.: Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы. М., 2005, с.с. 310-318.
15. Chernikova A.G. Heart rate variability in evaluation of functional state and types of autonomic regulation under conditions of space flight 26-th Annual International Gravitational Physiology Meeting. Abstracts. 26 June-1 July 2005. Cologne, Germany, p. 60.
16. R.M. Baevsky, I.I. Funtova, A. Diedrich, A.V. Pashenko, A.G. Chernikova, J. Drescher, V.M. Baranov, J. Tank Autonomic function testing on board the ISS – update on «Pneumocard». 58-th IAC, 15-20 Oktober 2005, Fokuoka, Japan.
17. Baevsky R.M., Baranov V.M., Chernikova A.G., Funtova I.I., Pasсhenko A.V., Tank J. “Results of cardiorespiratory system autonomic regulation investigations during long term international space station missions: experiment “Pulse”. 26-th Annual International Gravitational Physiology Meeting. Abstracts. 26 June-1 July 2005. Cologne, Germany, p.14-15.
18. Черникова А.Г. Метод дискриминантного анализа в оценке функционального состояния космонавтов в условиях длительного космического полета VII международная научно-техническая конференция "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006". Доклады. Книга II. - Владимир, Собор, 2006, с. 254.
19. Baevsky R.M., Baranov V.M., Chernikova A.G., Funtova I.I., Pasсhenko A.V., Tank J. Heart rate variability as indicator of cardioregulatory system. Experiment result.-Proceedings of European Study Group on Cardiovascular Oscillations, 2006, May 15-17, Jena, Germany.- 273 p. p. 74-77.
20. Baevsky RM, Baranov VM, Funtova II, Diedrich A, Pashenko AV, Chernikova AG, Drescher J, Jordan J, Tank J. Autonomic cardiovascular and respiratory control during prolonged spaceflights aboard the International Space Station.// J Appl Physiol. 2007 Jul;103(1):156-61. Epub 2007 Apr 19.
21. Baevsky R.M., Funtova I.I., Diedrich A., Pashchenko A.V., Chernikova A.G., Drescher J., Baranov V.M., Tank J.Autonomic function testing on board the ISS - update on "Pneumocard". Acta Astronautica, 61 (2007), 7-8, 672-675.
22. Бреус Т.К., Баевский Р.М., Фунтова И.И., Никулина Г.А., Черникова А.Г., Алексеев Е.В. Влияние возмущений геомагнитного поля на реакцию адаптивного стресса у космонавтов. – Космические исследования, 2008, т.46, 4, с.с. 378-383.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВСР – вариабельность сердечного ритма

ФС – функциональное состояние

ЭКГ - электрокардиограмма

МКС – международная космическая станция

ОС – орбитальная станция

СН – степень напряжения

АНОГ - антиортостатическая гипокинезия

ФР – функциональные резервы

HF – высокочастотный (high frequency) компонент спектра ВСР

LF - низкочастотный (low frequency) компонент спектра ВСР

VLF- очень низкочастотный very low frequency) компонент спектра ВСР

pNN50 - число пар кардиоинтервалов с разностью более 50 мс. в % к общему числу кардиоинтервалов в массиве

RMSSD - квадратный корень из суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов

SI – индекс напряжения регуляторных систем, стресс-индекс

ЧСС – частота сердечных сокращений

SDNN - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов

IC – индекс централизации

СV – коэффициент вариации полного массива кардиоинтервалов

MxdMn – разность меду максимальным и минимальным значениями кардиоинтервалов

TP – суммарная мощность спектра ВСР

AMo – амплитуда моды массива кардиоинтервалов

LFp/HFp – соотношение мощности LF и HF компонентов спектра ВСР

HFt – период максимальной составляющей HF компонеты спектра ВСР

LFt - период максимальной составляющей LF компонеты спектра ВСР

VLFt - период максимальной составляющей VLF компонеты спектра ВСР

N0 –число сдвигов автокорреляционной функции массива кардиоинтервалов до первого нулевого коэффициента корреляции

ПАРС - показатель активности регуляторных систем