Автореферат и диссертация по медицине (14.00.07) на тему:Физиологические, психофизиологические и биомеханические реакции организма человека на весовые нагрузки в области головы применительно к проблеме разработки защитных шлемов

ЫИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И ЦВДИШ1НСКСЙ ПРОМЫМЕННОСТИ РОССИЙСКОЙ 0ЕД2РАШ1И ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ - ИНСТИТУТ БИСФИЗИКИ

РГВ—"ОЯГ""' - 8 ОКТ 1996

на правах рукописи

ПАНИН Николай Леонидович

Физиологические, психофизиологические и биомеханические

решении организма человека на весовые наг ->уэки в области головы применительно к проблеме рааработк.., защитных шлемов.

14.00.07 - гигиена

14.00.32 - авиационная, космическая и морская медицина.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

МОСКВА - 1996

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской федерации Институт биофизики Министерства Здравоохранении и Медицинской Промышленности Российской Федерации.

Научные руководители: доктор медицинских наук, H.A. Осадчиева;

доктор биологических наук, B.C. Бедненко

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор Ю.Г. Григорьев • доктор медицинских наук, профессор Б.И. Давыдов

Ведущая организация - Российская медицинская академия последипломного образования Ю Ш РФ,

Защита состоится < > ........... 1996 года в ... часов на васе-

дании диссертационного совета Д Р 074.02.03 при ГНЦ РФ ИБФ ИЗ МП РФ по адресу: 123182. г. Москва, ул. Живописная, д. 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГШ РФ МВФ 1Ш1 РФ

Автореферат разослан <¿4 . 1996.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

к.м.н. П.В. Ижевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ:

Защита тела человека от различных стр^оссрсв экологической и про-ивводственной среды представляет собой важную проблему. В настоящее время в промышленности, в Вооруженных Силах и спецподразделениях, в

I

строительстве и спорте и ряде других областей широко применяются средства индивидуальной защиты человека (СИЗ). Имеется более 600 видов средств индивидуальной защиты (В.Н.Ардасенов 1986). В'зависимости от назначения СИЗ подразделяются на 11 классов.Среди них важное место занимают СИЗ головы, т.к. травмы головы чпезвычайно опасны,например, по данным (Braithwaite M.G. 1903) они составит до 62,5* всех смертельных случаев у пилотов вертолетов. .СИЗ головы подразделяются на две большие группы - это защитные каски и защитные шлемы, на которых сейчас монтируют все больше разного рода дополнительного оборудования, что ведет к увеличению их -массы и неправильному ее распределению с учетом анатомии шеи и ее биомеханики, поэтому сейчас разрабатывают новые интегральные СЮ головы. Как известно защитное действие СИЗ головы так же, как и всех СИЗ, сопровождается, как правило, неблагоприятным влиянием самого средства защиты на функциональное состояние человека. Это влияние определяется целевым назначением и конструктивными особенностями используемых средств защиты и может проявляться в самых разнообразных изменениях функционального состояния организма общих и локального происхождения, таких, например, как перегрев, сдавление,значительный психологический дискомфорт, чрезмерная масса и объем, неправильная центровка. невозможность прицензионных манипуляций при действии низкочастотной вибрации и т.д.(Уманский С.П. 1980; Панин Н.Л. 1983, Ward R.F. 1985; Petrofsky J.S.1982; Phillips С.А.1984;Prootor T.D.1982;Prlvlt2er Е.1986; Rayne J.M.1969; Reading Т.Е.1989; Rolsten R.F.1983; Rowe K.W.1984; Slobodnik B.A.1977; Sevart J.B., R. Lewis Hulll981; Stroud

(

- s -

P.Q.lQ82;Saozal3ki K.J. 1078; David Q. Schall 1989 ; Slobodnlk B.A. 1979; Voge V. 19S2; Wells Maxwell J..Grlffln M.J. 1987). Кроне того, в литературе описаны случаи (Forbush Russ Т.1981; Furness Т.Д.108t; Huston R.L., Sears J.1981 ;), когда само СИЗ головы становилось причиной травмирования тела человека. Для СИЗ головы одниы на основ них неблагоприятных факторов.сопровождающих их защитное действие, является фактор их повышенной массы (Taû. 1). Увеличение массы в ряде случаев приводит к возрастанию ващитной эффективности СИЗ головы, однако; с другой стороны, воврастание массы системы голова-шлем (LasLnlo A.L.1Ô68; Lewis С.Й.1984; Lee Chan; Meen 1991) может привести к ухудшению работоспособности человека (Н.Л. Панин 1984), а при значительном ее увеличении и неправильном распределении возникает реальная угрова травмирования тела человека (Voge V.lB82;Wells Maxwell J..Griffin M.J.1987). Эта угроэа возрастает при воздействии ускорений на человека', применяющего СИЗ головы, особенно непрямого типа, пршюяениых к туловищу, а не к голове (Me. Elhelneyl97l). Необходимо отметать, что почт все вышеперечисленные ' авторы указывают на приоритетное значение влияния фактора массы СИЗ головы наряду с различными другими отрицательно воздействующими на функциональное состояние человека. В связи о указанными обстоятельствами необходимо так&е отметить, что проблема создания СИЗ головы уделялось большое внимание и при раара-' боткз исходных требований к системам радиационной бвиошскостн ¿йщ "опасных профессий"(космонавтов, военнослужащих и т.п.), в частности, при обосновании методов и средств локального экранирования жизненно важных органов человека. Основополагающими работами по неучению радиоцеребральных эффектов у приматов являлись исследования ( Thjrp Y.W., Young R.W. 1971, Middleton G.R., Young R.W. 1976, Youohmowity M. et al.1977). Фундаментальное обобщение по этой проблеме выполнено Б.И. Давыдовым и И.Б. Упкисовыы (1987). Однако, в связи с

ТАБЛИЦА 1.

Названа» -ал ома .............--г Ыаооа(кг)| Часы "1------------ — 1Лоточник информации i

Для авиаспорта 1,2 1 4 i |Уманский О.П. , 1080

Маска - 2 1.3 1 - 1 Паспорт йэделия, I301CT

Для парашутиста до 1,54 1 2 I Johnson J..C., 1981

ЗШ - 5 1.7 1 - 13Ш-5-РЭ, "ЗВЕЗДА"'

МК - 10 + кы 1.74 1 [DRA. Farnborough, GB

Ш - 7 А 1.75 1 - 1205-9022-00 РЭ, "ПВЕЗЛА"

ЗШ - 3 1.8 1 о | АСЗТ "ЗВЕЗДА"

ЗШ - 5 А 1.95 1 - I2AB-9022-150 РЭ. ЗВЕЗДА

ОН - 115 2.0 до 20 IУыанский О.П.

ЗШ - 3 Б 2,05 1 - |3 В-9С22-00 РЭ, "ЗВЕЗДА"

АРН - Б + ШШ 2.3 1 4 |USA, GENTEX

(ЗШ - б ЫКВ-2 2.4 1 - I3E1-5MKB-2 РЭ, "ЗВЕЗДА"

БРН - 3 2.5 1 2,5|USA, GENTEX

Колпак - 3 2.5 I - |НП0 СМ , Саб.

Броневлем . 3,0 1 3 |Уманский С.П., 1980-

СКиф 3 3.2 i - ЩНИИСЫ, Хотьково

Сфера - С 3.6 i 8 |Паспорт изделия НИИСТ

ГШ - 6 ЛП • 3.85 1 - 1201-9009-300 РЭ, "ЗВЕЗДА"

Мк4 + Реггапи 3,95 1 - IWells, M.J. 1984 ,

Маска-1 4.22 1 до 8 (Паспорт иэделия, НИИС'г

зсш 4.5 1 - (НИИ Стали

ЕОР - 7 4.5 1 - IM.E.S.I., CANADA

-6Б6 - 5 5.0 1 - |НИИ Стали

Воин 7.0 1 - |НШ Стали

примечание: (Отечественные летные шлемы применяются в комплекте з кислородными масками "КМ-34Д" и "КМ-Зб", массой 0,67 и О,Б КГ.)

- Э -

том. что по своим габаритно-весовым характеристика« иввеотнъю средотва локального экранирования головы чрезвычайно громоздки, они пока не наши широкого практического применения. Поэтому возникает необходимость обоснования и анализа характера и выраженности физиологических, психофизиологических и биомеханических реакций организма человека на . весовые нагрузки в области головы .применительно к проблеме разработки защитных шлемов.

СВЯЗЬ РАБОТЫ С КРУПНЫМИ НАУЧНЫШ ПРОГРАММАМИ: Работа связана с научно-исследовательской работой Государс-' твегаюго научно-исследовательского центра РФ Институт биофнвики Министерства здравоохранения и Медицинской промышленности РФ:(тема 63191) "Исследование закономерностей изменения функциональных состояний человека в экстремальных условиях.". 1983 г.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: Выявление физиологических, психофизиологических и биомеханических реакций организма человека на весовые наг-1 рузки в области головы применительно к проблеме разработка защитных шлемов.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Экспериментальное исследование влияния массы шлеыа, времени и условий его ношения (покой, воздействие колебаний о пиками ускорений . до ±3 Сг. низкочастотной вибрации при уровне виброскорости не более 0,06 м/с) на функциональное состояние организма человека в целой и

I

его оистем.

2. Обоснование комплекса информативных физиологических и психофизиологических тестов и сравнительный анализ их информативной значимости в раннем выявлении ухудшений функционального состояния организма в этих условиях.

3. Определение допустимых весовых нагрузок на область головы и допустимого времени ношения СИЗ головы

• * ~

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

В работе впервые определены фиэиолого-гигиенические критерии, необходимые для установления верхней физиологически допустимой границы массы СИЗ головы и стандартизации времени их применения в различных условиях.

Впервые изучено влияние габаритно-весового макета шлема (ГВЭД1) массой 5, 6 и 7 кг на функциональное состояние человека, и ГВШ1 массой до Б кг с СИЗ типа "жилет" массой 8кг при дискомфортных условиях в вида воздействия колебаний с меняющейся амплитудой вдоль оси "1" с пиками' ускорений до ±ЗСг и преобладающей частотой 2 Гц в течение 6 часов.

Приводятся экспериментальные данные о динамических характеристика? тела человека, применяющего ГВШ массой б кг при действии общей низкочастотной вибрации при уровне виброскорости не более 0,06 м/с по "2".

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:

Научная значимость определяется тем, что в работе получены важные в теоретическом отношении зависимости между величиной массы плема, временем его ношения и условиями применения.

Практическая значимость состоит в том, что полученные данные составляют основу для разработки нормативных документов, устанавливающих требования к СИЗ головы. Их внедрение позволит повысить работоспособность оператора, снизить травматизм и, в конечном счете, способствует повышению эффективности СИЗ головы

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ:

Все результаты научных исследований, представленные в диссертации, получены автором лично. Материалы соавторов совместных научных публикаций в диссертацию не включен;

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 10-ой конференции молодых ученых Института биофизики ЫЗ СССР (1083),

- Б -

«а секциях ученого совета Ин-та биофивнки (1983;1984), на 2-ой Всесоюзной конференции "Физиология экстремальных состояний и индивидуальная защита человека" (Москва 1986), на семинаре "Новые направления в проектировании и биомеханике военных шлемов"(Фернборо 1993). Апробация проведена 23.04.96 в ГНЦ РФ ИБФ ЫЗШ РФ.

ПУБЛИКАЦИИ:

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ: Диосертационная работа включает 116 страниц, соотоит ив введения, обзора литературы, обоснования Бадач и методов исследований, главы с ивлояением результатов собственных исследований, обсуждения результатов, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 97 источников на русском языке и 113 на иностранном. В работе имеется 15 рисунков и 12 таблиц.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1." При использовании СИЗ головы массой от 3, Б до Б кг допустимое время иоаения шлеыа в условиях покоя ссотавляет до 6 часов, пориод до появления дискомфортных ощущений от 1.5 до 3,5 часов. При воздействии колебательных движений с пиками ускорений до ±3 Gz указанный период составляет от 47 минут до 1,5 часов. При массе шлема 7 кг развитие ш-вечного утомления в условиях покоя отмечается черев 1,5 часа.

2. Ведущим симптомокомплексом, ограничивающим время ношения ващктиых илемов, является: при массе шлема 3,5 кг признаки развития утешения в веде ощущении субъективного дискомфорта, появления точки локального давления,болей в области позвоночника, повышения температуры в облает: оеи. Рагвивапшнйся при массе влема от Б до 7 кг симптомоксмплекс вару тений функционального состояния человека состоит в развитии непроизвольных навязчивых кивательних движений головой, появлении специфических изменений по тесту САН, стаОило-, кефало-, электронно- и тремо

- б -

рограш, снижении внутриглазного давления в последействии, развитии предельных состояний с клинически влачимыми проявлениями, 3, Предложенный в работе комплекс информативных физиологических и пои-физиологических методов, включающий определение показателей ¿общего состояния и работоспособности обследуемого, степени общего и теплового дискомфорта, изменений биомеханики тела и системы "голова-шея",а также показателей внутриглазного давления - обеспечивает научно-методическое обоснование допустимых весовых нагрузок на область голову применительно к проблеме разработки защитных шлемов

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ: Исследования проводились с участием испытуемых при нормальном атмосферной давлении в комфортных температурных условиях. Возраст испытуемых был в пределах от 18 до 48 лет. Было проведено 122 эксперимента с участием 4Б испытуемых. Чистое время исследований составило 626 часов. Исследование включает 18 серий. Всего было использовано 29 методов. В каадой части исследования использовались четыре группы методов:

1. Физиологические методы: ЧСС; А/Д; ЧД; треыорометрия; температура. тела в пяти точках и ректальная; температура в области шеи; определение остроты зрения по таблицам "кольца Ландольта"; измерение внутриглазного давления; офтальмологическое исследование глазного дна; регистрация. интервалов; ЭМГ;. Кистевая диначография.

2.Психофизиологические методы:субъективная оценка степени дискомфорта; определение времени простой эрительноыоторной реакции (ПЗМР); определение критической частоты световых мельканий (КЧСЫ); определение времен сложной зрительноомоторной реакции (СЗМР); исследование памяти временных интервалов(ПВИ); методики координациографии:"попадание в мишень" и "углы поворота"; тест "Самочувствие, Активность, Настроение" (САН); исследование профессиограммы.

3. Антропометрические измерения: возрастные данные; масса тела;

- ? -

ьшо-т верхушечной точки над полом; обхват головы; обхват шеи; расстояние от подоатылочной до шейной точки.

4. Биомеханические методы: векторная стабилография: в "нормальном ¡1Ы1о*енаи"по Брауне и Фишеру и в пове сидя; кефалография; определения степени напряжения шейных мышц (миотонометрия); качественная ек-оелервметрия головы при действии ускорений; экспериментальное определение динамических характеристик тела человека, при действии общей вибрации нивкой частоты; установка заданной массы шлема оимулятораи контроль Ба ее равномерным распределением.

Б. Математические методы статистики: Т- критерий Стыодента, Пошаговый дискриминантный анализ данных, Компьютерная обработка сигнала Э&Г , стабило- и кефалограмм на ЭВМ Plurlmat.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.Исследование функционального состояния организма человека при 6-ти часовом ношении шлема массой до 7кг в условиях покоя в позе "оидя".

Было проведено 66 исследований 6-ти серий о участием 30 испытуемых в возрасте от18 до 32лет:19 исследований было проведено без ГВШ; 16 о массой З.Бкг; один о массой 4,0кг; 18 исследований о маооой Б,Окг; 7 о массой 0,0 ,<г и три исследования с маооой ГВЫЩ 7кг. В кселедсгаякя* проводили регистрации оердечного ритма, уровня А/Д, частоты дыхания, треморографии, температуры тела, а также температуры в области шейных мышц и кистевая динамометрия . Ив психофизиологических тестов применялись тест по субъективной оценке действующего фактора и 8он диокоыфорта, период времени простой зрительномоторной реакции, критическая частота слияний оветовых мельканий, время сложной вритель-номоторной реакции, правильность воспроизведения заданного временного интервала, тест на координацию движений. Проводились антропоыет-

- в -

ричвские измерения - возраст, масса тела, обхват головы, обхввт шеи н ее длина. Из биомеханических методов применялась векторная отаби-дография. Параметры в ходе исследования регистрировались каждые два часа:в начале исследования .спустя два часа .после четвертого часа и после иастого. Ыояду четвертым и пятым часами времени исследования устраивался 20-ти минутный обеденный перерыв^ со шлемом на голове.

Исследование функционального состояния организма человека в течения 6-ти часов в поэе "сидя" без ношения шлема (контрольная серия).

При исследовании комплекса физиологических параметров у испытуемых в течение 6-ти часов без СИЗ головы выявлено, что относительный покой в поэе сидя приводит к достоверному снижению показателей КЧСЫ через два часа после начала эксперимента, этот показатель остается сниженным до конца исследования, изменение таких показателей как: ЧСС, треморометрия, время сложной и простой зрительно-моторных реакций. показатели У® и УР, температура в области шейных ыьшц - были недостоверны. Наряду с отмеченными установлены еще ряд тенденций: снижение уровня функциональной активности ЦНС- в начале эксперимента 3,43, . к 2 часам он снизился до 2,61, к 4-ому часу до 2,74 и к концу исследования - до 2,62. Такая же тенденция прослеживается по показателям, характеризующим площадь колебаний общего центра тяжести тела: 3,27-в начале и 2.5 , 2,3 и 2,44 через два,четыре и шесть часов наблюдений соответственно. Выявленные незначительные изменения в показателях могут быть вызваны вынужденной гиподинамией в условиях эксперимента.

Таким образом, в экспериментах без применения ГВМШ и в условиях относительного покоя в позе сидя в течение 6-ти часов, отмечается незначительное изменение функционального состояния организма человека, обусловленное вынужденной гиподинамией.

- О -

Исследование функционального ооотояния органиаш человека при б-ти часовом ношении шлема массой от 3,5 до 7кг в условиях покоя в

11086 "сидя".

При анализе данных физиологического и биомеханического тестирования 16 испытуемых отмечено следующее. В течение 6 часов наблюдений достоверно повысилось значение функционального уровня системы (ФУС), начиная со второго часа. К тому же достоверно увеличивалась температура £ области вей к 4 и 6-му часу наОлвдэнця. Шоаздъ стабилограммы снижалась однократно ко 2-му часу, а ват*и. судя по цифрам, произошла адаптация организма к условиям эксперимента. Остальные показатели практически не изменялись. За исключением амплитуды тремора, которая имела тенденцию к увеличению к 2 часам наблюдений, а затем, вероятно, происходила адаптация к условиям,ашзперишита и амплитуда тремора уменьшалась, приближаясь к исходным цифрам. Следует обратить внимание на тот факт, что выявленные в контрольной серии достоверные изменения КЧШ в данной серии о нагрузкой в 3,6 кг но .проявили оебя. Таким образом, масоа шлема в 3.5 кг вызывала увеличение ФУС, повышение То в области шеи и однократное онихакно он ссади колебаний ОЦТ, что является, вероятно, показателем изменения определенных оторон физиологического состояния организма человека. При исследовании возможности нахождения в течение б-часов в шлема массой 5 кг выявлено достоверное снижение ФУС к концу наблюдения, так же как я совышние температуры в области шеи. Ингереоно, что площадь коле-' баиий ОЦТ уменьшалась ко второму часу эксперимента и возраотала к четвертому , а затем снова понижалась к концу эксперимента, причем эта волнообравность имела одинаковую по вначению амдитуду изменений. При маоов в 3,5 кг мы имели стойкую тенденцию к снижению площади стаби-лоградаы по сравнению с началом эксперимента. Говоря о площади ста-билограшы, необходимо сразу отметить ее увеличение при массе ГВШ1 в 5

кг по сравнения с контролен-в 2,5-2,?раза, что,по вашему мнению, макет задаться основалнам для применения стабилографии в качестве критерия оценки при определении предельно допустимой массы СИЗ. По наиему кнопка,интересны также и данные по амплитуде тремора, которая на треть превышает с?ои значения по сравнению с контролем при массе ШС Б кг, несмотря на то, что достоверных отличий по ходу эксперимента не выявлено. Суммируя полученные эез%'льтаты. прот^пекнк*» ч главе, следует отмстить, что некоторые из параметров меняются по ходу исследования менее значительно, чей другие. Например: такие показатели, как время простой зрительномоторяой реакции и критическая частота слияния световых мельканий, имеют такое же направление изменений, но бо-лзе низкий ypoEOia изменений вевавпекно от величины массы ГЕШ. Аналогичные изменения были со следующими параметрами: ЧОС,' артериальное давление, частота дыхания, острота врения, время сложной зрительно-ыоторной реакции, воспроизведение временных интервалов. Другая группа параметров открывают Фэнсыэн ухудшения функционального состояния оргаяигма человека з процессе эксперимента. Так увеличение массы ГШШ увзличгаает площадь колебаний общего центра тяжести тела человека - это означает уменьшение стабильности позы тела человека. Масса ГШШ 3,5кг увеличивает площадь колебания в начале эксперимента на 34% а масса 5,0 кг увеличивает площадь на 59Z. Сравнение начала эксперимента с концом показывает уменьшение этой площади на ИХ при массе ГВШ 3,5кг и на 26* при массе 6,0кг к шестому часу исследования. Необходимо также отметить; что этот параметр уменьшался после второго часа и возрастал после четвертого. К шестому часу он возрастал снова, но меньше, чем после второго часа. Другими, словами наблюдалась некоторая адаптация к концу исследования. Амплитуда нормального физиологического тремора пальцев рук при массе ГВШ 3,5кг имела такую же динамику, как и без нагрузки,но при массе 5,0 кг после уменьшения

амплитуды тремора ко второму часу исследования она .начинала расти к четвертому - шестому экспериментальному часу. Такой параметр ЦНС как УФВ к концу исследования с ГВШ1 массой 5кг падал ниже нормы и коррелировал с ФУС. Это означало значительное снижение функционального состояния ЦНС. Анализ рядов ¡?-1? интервалов показал, что индекс напряжения (ИН) был достоверно выше нормального во всех исследованиях, что указывает на преобладание симпатического пути регуляции. Ыо и АЦо возрастали при Р ¿.0,05 с увеличением массы ГШШ, в токе Ъремя такой параыетер каяАХ уменьшался. Итак, важно отметить, что регуляция проводилась по гуморальным каналам при преимущественном влиянии симпатической нервной системы. Температура поверхности кожи в области иен к концу исследования без нагрузки возрастала на 0,2 градуса Цельоия; при массе 3,5 кг на 0,6 градуса Цельсия; при массе 5,0 кг на 1,1 градуса Цельсия. Была отмечена тенденция к увеличению температуры в области груди и лба, но ректальная температура падала. Для предварительного определения влияния на функциональное состояния человека различных масс шлема использовался метод многостороннего анализа статистических данных с пошаговым дискриминантным анализом функционального состояния испытуемых в ходе исследования о последувдэй классификацией. Было проанализировано 3 пространства показателей по 52 параметра в каадом, которые характеризовали шестичасовую динамику функционального состояния организма человека без нагрузки, о массой ШС 3.5 кг и с массой 5,0кг. Четко выявляется влияние массы шлема ив функциональное состояние, которое, более выражено чем, индивидуальные психологические особенности испытуемых. Как видно,, регионы не пересекают друг друга, и их центоы находятся в различных местах. Ркс 3

2.Исследование функционального состояния человека - оператора при 2-х часовом использовании шлема массой от 5 до 7 кг в позе сидя в

- 12 -

условна* выполнения операторской деятельности.

Выло проведено 14 исследований с участием 7 испытуемых. Четыре исследования было проведено с массой ШС 6,0 кг: три с массой 6 кг и семь с массой 7 кг. Длительность исследований была 2-2,5 часа, ва-писи параметров производились каждые 30 минут. Использованы методики регистрации сердечного ритма, А/Д, офтальмологическое обследование глазного дна, сопровождающееся измерением внутриглазного давления, проводилась электромиография, применялся метод субъективной оценки действующего фактора, а также тает САК, определялись все антропометрические характеристики. Кроме того применялась векторная стабилог-рафия и кефалография. Тест самочувствие, активность, настроение -предъявлялся в 9 исследованиях на протяжении всего времени исследования. Значительное снижения параметров самочувствия, активности и настроения было замечено к концу исследований с массой ГШН 6,0 и 7,0 кг. Самочувствие ухудшалось к концу исследований в 100Х случаях при всех массах ГВМШ со вначенкя"выие чем норма" к"норме". Активность в 3-х случаях снижалась от уровня"выше нормального" в начале исследования до уровня"норма" в конце его и в двух случаях до уровня "ниже нормы". Настроение снижалось в- трех исследованиях до уров-ня"норма'\ Офтальмологический осмотр глазного дна и определение внутриглазного давления проводились в 7 исследованиях: в 6 (Б ив них были с массой ГВЫШ 7,0 кг) регистрировалось снижение внутриглазного давления сразу после исследования по сравнению с данными полученными до его начала. Однако осмотр глазного дна не выявил никаких изменений. Три метода применялись в комплексе(одновременно):ЗМГ; векторная ста-Силография и кефалография.

По данным ЭМГ было выявлено, что при ношении шлема наиболее загруженной является трапецивидная ыыица (РИС. 1). Обнаружено также,что

1. ТРАП2ЩШДЯАЯ ИЩА

г. шшшо-тяшу-

-СОСЦЕЕИДЙАЯ ЛЕВАЯ

PUC. 1 ЭЛЕКТРСШОГРАЕШ, ЙСШГУЕШЯ Но:41

з. гршно-кшичао-

-СОСЯГЕВОШАЯ О КГ

пммя AШüa.ШÜüaÂXLШíÚ!i

6.0 кг ^

KKXKX^JÜ^kÁAÁÁJUdiLL^

гггДо.'гзе информативными в данных всолэдоваянях бьин агедувдие пора-¡гетры ЭМГ: интегральная активность¡усредненное значение максимальной шпднтуды;величина среднеквадратичного отклонения ¡длина линии ШТ. 1окл»ано, что эти параметры воврастали в по8е"стоя" по сравнения о ювсй"сидя". В исследовниях с пошаговым увеличением ьассы ГВЫШ: б и* :начала, через 20 минут - б кг.а еще черев 20 ьшнут - 7 кг ,- обнаружено, что активность трзпдшгаидной мышде понижалась сраву после ¡увеличения массы; ото могло происходить по двум причинам:наступление здалтадая или вкаочениэ других групп мышц. В обычных исследованиях «ереэ час - полтора наблюдалось повшенив активности 1»к трапецивид-ой, так и грудино-клочичио-сосцевидяой мьшщ. Это было практически ео всех исследованиях с массой ГВМИ 7кг. . По-видимому ато сигнал о наступлении маззчного утоылэнкя. Квфалография помогла выявить фено-ьэн к!1В!юэ головой, вознккакш сове рае нно яопроивволъно. Во время позгшя П£Ш! кассой 5 кг и более в некоторых исследованиях вневапно 7 испытуемых появлялась пепроизвояъкыз навязчивые киватвльные движения. гжющи? исСсиьЕув^ смпхитуду в саггитаяьноы направлении я увэлн-чизетпухяя при отсутствии врите ль но'го контроля позы. Показано также, что о увеличением кассы, амплитуда кивков росла и ото сопровождалось, тамад, увеличением площади колебаний общего центра тяжести (СОТ). Когерентность этих катодов была в пределах "1".

3. Опрсд<шш!9 иэшнэвий функционального состояния органивма человека - оператора в процессе 6-ти часового исподьвования шлема массой до 7кг при воздейстшш колебательных движений с пиками ускорений дсцЗОг е. оазшгого згавата кассой 8кг.

3 атой серия изучались гтиэнэния (Зункщкзназьного состояния организма человека-оператора при ношении шлемов массой 0,85; 3,5; 5,0; 7кг

и защитного жилета масоой 8 кг при воэдействии колебательных двияений, создаваемых стендом при неменяющейся амплитуде до ±ЗБ2 и основной частоты стенда 2 Гц. в условиях выполнения операторской деятельности в позе сидя. Было проведено 26 исследований с участием 7 испытуемых. 12 исследований было проведено при использовании шлема массой 0,85кг;6 исследований со шлемом массой З.Бкг (5 из них с применением 8-ми кг защитного жилета); 7 с массой 5 кг(2 из них с применением защитного жилета массой 3 кг); и один с массой 7' кг. Время профессиональной активности на тренажере вождения было 6 часов. В конце 4-го чаоа исследования проводился 20 - минутный перерыв на обед. Возраст испытуемых был от 13 до 21 года. Использовались следующие методы: регистрация Й-Н интервалов, А/Д; треморометрия, электротермометрия в области шеи, максимальная мышечная сила, производился опрос испытуемого с целью выявления региональных зон дискомфорта, определение времени простой зрительно-моторной реакции, КЧШ, правильность воспроизведения временных интервалов, тест на точность координации движений (до и после исследования), производилась оценка уровня профе-сиональной деятельности,регистрировались все антропометрические показатели. применялась векторная стабилография в позе стоя, проводилась миотонометрия шейных мышц, производилась запись ускорений на шлеме по осям ХЛ,2. Показано, что под действием ускорений 100% испытуемых калуятся на дискомфорт, и эти жалобы появляются очень быстро от начала исследований. Увеличение массы ГВМШ немедленно приводит к дискомфорту. Масса ГВМШ 3,5 кг увеличивает ускорения головы по оси ±У, причем, масса в 5 кг увеличивает их больше. Интересно, что масса 5 кг увеличивает ускорения головы по всем осям. Так, при ускорениях на стенде-иммитаторе ±1,5(3 при массе ГЕМШ 5кг был зафиксирован уровень ускорения на голове ¿3,5 Б. Данные по амплитуде колебаний общего

дентрп тяяэстн тела человека, тзгтакхв по амплитуде нормального фиви-ологического тремора пальцев показывают, что эти показатели увеличиваются по ходу эксперимента, а показатель УФВ снижается. Уровень 9тих изменений Солее значителен при массе ПОД 5 кг, чем при массе 3.5 кг. При массе 3,5кг после второго часа мы наблюдали период непродолжительной адаптации к нагрузке. К четвертому часу показатели амплитуды колебания СЦТ и тремора увеличивались, а показатель УФВ снижался очень быстро нихе"нормы" при массе ГВМШ 5кг. Как негативный результат - один испытуемый черев 10 часов после исследования с массой ШС 7 кг жаловался на.сильную головную боль и боль в шейном отделе позвоночника. Тест мышечной силы рук показал уменьшение максимальной мышечной силы № 121 после эксперимента с массой ГВИШ 5 кг. Не было зарегистрировано значительного снижения максимальной мышечной силы (ШС) при массе 3,5 кг и без весовой нагрузки. Статическая выносливость не ухудва-яась без ГВЫШ и уменьшалась на 55Х при массе 3,5 кг и на 852 о ГВЫШ массой 5,0 кг. Тонус трапеции возрастал при использовании шлема массой 1кг на ЗСК и на 56% о ГВШ массой 3,5кг, а также на 962 при массе ГВУШ1 5,0кг.Температура кожи в области шеи увеличивалась к концу исследо-. аания по сравнению с началом на 0,8 градусов Цельсия при работе в адвмэ массой 1 кг; на 1,6 градусов Цельсия при работе в ГВШ массой 3,5 кг и на 2.2 градусов Цельсия при массе ШС в 5,0 кг. Такой параде тер, как уровень активности оператора, не показал значительных ив-мнений. При массе ШС 5,0 кг частота пульса имела тенденцию к сииже-шю, а уровень артериального давления к понижению.

4. Оценка экспериментальных данных о динамических характеристиках рала человека, применяющего ГВШ массой до Б кг при воздействии общей »ибрадан иизгай частоты при уровне виброскорости не превышающем 0,06 и с. ( Исследование амплитудно-частотного ответа телачеловека при

подонки ГВШ кассой О; з.б к 6,0 кг сод действием вкбрацкн нивкой частоты (до 80 Гц) и амплитудой до 0.06 м/сек по вертикальной осп в позах "сидя" и "стоя").

Проведено 17 исследований с участием трех испытуемых. Возникал! два ревоналса - это означает, что только две массы тела человек принимают участие в процессе вибрации. Следовательно, возмсотю они сание »той динамической системы в терминах плоской дискретной дина »отческой модели, имеющей только одну ось. Использовалась вибрацга низкой частоты,, и амплитуда измерялась как функция частоты. По; действием вибрации голова вибрировала. Был выбран экспериментальны! путь для исследования, так как динамическая система тела человек; очень сложная и зависит также от индивидуальной структуру тела. Применялись следусщке. методы: ЧСС. А/Д , Узтод субъективной оцени действующего фактора, антропометрия, ГБШ. вибростенд.Как следует и; (Таб. 2), некоторые из испытуемых отмечали, что ГБШ! массой 3,5 кг создает комфортные условия при пребывании под $ибрашюй. Цасса ГШ в 6,0 кг напротив вызывала дискомфорт и ухудшала остроту зрения. И< таблицы 2 видно, что первый резонанс в позе "сидя" имел амплитуду вкше, чем второй ревонанс. но в по8е"стоя" амплитуда первого резонанса имел« такой же уровень, как к амплитуда второго резонанса. При астзнш ГВШ массой 5,0 кг в позе"стоя" пик амплитуды второго резонанш возрастал. При массе ГБ«ш в 5кг в люзе"сидя" и "стоя" частота второго ревонанаса уменьшалась.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. В настоящем исследовании проведено выявление возможности ношения СИЗ головы при сохранении функциональной активности человек« оператора и .его физиологического гомеостаза. В обзоре литературь проанализирован материал о роли конструкции СИЗ головы и комфортное-

ГАВЛИЦА. 2 Динамичеокие характеристики тела человека при вибрации.

•.................■■ НАС-/пса А Г"--------- но-' - ДАННЫЕ СПРОСА ИСПЫТУЕМОГО РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ И УРОВ-

СА МЕР О СТЕПЕНИ ОБЩЕГО И ЛО- НИ ВИБРОСКОРОСТИ

(кг) ИСПЫ КАЛЬНОГО ДИСКОМФОРТА. ■ 1 РЕЗОНАНС |2 РЕЗОНАНС

1

1 хз 10гЬ- 1

ш ыого . ГЦ М/С 1 Гц 1 м/о

3,~>/СИДЯ 44 Ощущения средние. 6,5 0.035 1 1 12,5 0,017

45 В ГВМШ даже легче. 6,1 0,052 1 12,2 1 0,029

3.б/СТОЯ 43 В ГШ лучше. 5,45 0,033 1 1 12,9 0,034

45 Лучше переносится, чем 6,5 0,049 1 12,2 0,034

без ГВМШ,болевые ощущения 1

в области живота. 1 1

б /сад 44 . Болевые ощущения в 4,95 0,036 1 1 10.9 0,015

области шеи. 1 •

45 Опупение "ряби"в главах, 6.65 0,042 1 12,1 0,034

голову ведет во все сто- 1

роны, преимущественно 1

вперед-назад. 1 1 •

^ /стоя 44 ГБЫШ подпрыгивает, кру- 4,9 0,034 1 1 12,2 0,044

тится, раскачивает шею. 1

45 Ощуэдние'Толова не своя", 6,9 0,052 1 11,7 0,03

I ГВО крутится на голове. 1 .....................;„„. —..... ______ 1 I

я» их для пользователя. Помимо этого возникает проблемный вопрос о массе ЭШ, которая может сама по себе создавать угрозу безопасности человеку , особенно в случае больших уровней ускорений. Встречаются единичные сообщения о разработке нормативных характеристик для СИЗ головы с ограничением массы шлема до З.Б кг(Рощина Н.А.и др.1091). Однако, в связи о развитием и дальнейшим усложнением выооких технологий, возникновением чрезвычайных ситуаций и обширных экологичеоких катастроф существует необходимость разработки и скорейшего внедрения более аффективных и многофункциональных СЮ головы. В настоящее время практически нет иного пути для создания такого рода СИЗ Зеэ увеличения их массы и улучшения, соответственно, их конструкций.

Г; Поэтому в своих исследованиях мы Попытались выявить возможность длительного ношения СИЗ головы массой до 7 кг в условиях покоя иди во время операторской активности. Была разработана целая серия экспериментов для более точного выяснения намеченной цели. Исследовали функциональное состояние оператора в течение 6-ти часов в условиях покоя без применения ГВМШ, а также при применении шлемов массой: 0,85;3,5;4;Б;б;7 (кг). Помимо этого выявляли действие ускорений и низкочастотной вибрации ва время появления дискомфорта и адекватность той или иной массы шлема предъявляемым условиям(Рис.2).Показано, что увели чение массы ГВМШ увеличивает площадь колебаний общего центра тяжести тела человека, что означает уменьшение стабильности позы тела чело. века. Масса ГВМШ 3,5кг увеличивает площадь колебания в начале акспе-римента на 34Х, а масса 5,0 кг увеличивает площадь на 597.. Сравнение начала эксперимента с концом показывает уменьшение зтой площади на ИХ при массе ГВМШ 3,5кг и на 26% при массе 5,0кг к шестому часу исследования. Необходимо также отметить, что этот параметр уменьшался после второго часа и возрастал после четвертого. К шестому часу он возрастал снова, но меньше, чем после второго часа. Другими словами наСлюда-

РИС. 2 ВГСМЯ НАСТУПЛЕНИЕ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ДИСКОМФОРТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАССЫ ГВШ

Т

4 -

8 "

2-х

1 -

б.О- в,О 7.0

МАССА ГВМШ (кг)

¡V V.

к

мюъ некоторая вдоамщвя к концу исследования. Амплитуда нормального физиологического тремора пальцев рук при массе ГВШ1 З.Бкг имела такую же динамику, как и Рев нагрузки,но при массе 5,0 кг после уменьшения амплитуды тремора ко второму часу исследования она начинало рее ги к четвертому - шестому экспериментальному часу. Такой параметр ЦНС как УФВ к концу исследования с ШС массой 5 кг падал ниже нормы и коррелировал с ФУ С. Это означало значительное снижение функционального состояния ЦНС. Анализ рядов 1М? интервалов показал, что ИН был достоверно выше нормального во всех исследованиях, что указывает не преобладание симпатического пути регуляции. Значительное сникония параметров самочувствия, активности и настроения было замечено к концу исследований с массой ГВИ1Г 6.0 и 7,0 кг. Самочувствие ухудшалось к концу в 1001 случаях.

В обычных исследованиях через час - полтора наблюдалось повышение активности как тралецивидной, так и грудино-ключично-сосцевидной мышц. Это было практически во всех исследованиях с массой более 6кг(Рис.8). По-видимому это сигнал о наступлении мышечного утомления. Кефалография помогла выявить феномен непроизвольных, навязчивых кивательных движений головой. Во время ношения ГВаш.массой 5 кг и более в некоторых исследованиях внезапно у испытуемых появлялись непроизвольные кнва-тельныэ движения, в основном, в направлении вперед-назад. Показано, что под действием ускорений 100% .испытуемых жалуются на дискомфорт, и зти жалобы появляются очень быстро от начала исследований.(РИС 2) касса ГВЫШ 3,5 кг увеличивает ускорения головы по оси ¿У , причем, масса в Б кг увеличивает их больше. Интересно, что масса 5 кг увеличивает ускорения головы по всем ±ХУг осям. Так.при пиках ускорений на ^сидении в ±1,5 6 при массе ГВЫШ 5 кг был зафиксирован уровень ус-

гоя.ове Шмдадь колебаний ОЦТ тела человека, а

веского тремора пальцев- зти

покаватели увеличиваются по ходу вкоперимента. а показатель У® снижается. Уровень этих изменений более значителен при массе ГВШ Бкг,чем при массе 3,5 кг. Температура кожи в области шеи увеличивалась к концу исследования по сравнению о началом на 0,8 градусов Цельсия, при работе в шлеме массой 1,0 кг; на 1,6 градусов Цельсия при работе в ГШ! касоой 3,5 кг и на 2,2 градусов Цельсия при массе в 5,0 кг.При массе ГВШ Б,Окг частота пульса имела тенденцию к снижению, а уро-ce.tb артериального давления к понижении. Выявлена тенденция, что ГШШ массой Б кг под воздействием низкочастотной вибрации вызывал дискомфорт и ухудшал остроту зрения, особенно в позе отоя. Таким образом, установлено, что максимальное время ношения шлема массой более 5 кг не иодот превыгать 2-х часов,- при действии ускорений носить его недопустимо.

3. В условиях относительного покоя ноаение шлема массой 3,5 я б кг допустимо, одна}«) и такая нагрузка на голову способна вызвать дис-ксалфор? при длитегьиом поээнни. Вероятно для создания оптимальных уо-говий для пользователя новых интегральных моделей СИЗ головы аесвхо-' дшю часть кагрувки распределить на верхкпэ. половину ..туловища,, хотя бы при воздействии ускорений. Для атого необходимо создание миниатюрной электронной активной оиотеыы, способной уменьшать нагрузку на голову и шея человека при пиковых дшамичеоких нагрузках.

ВЫВОДЫ:

1. Получешшэ в работе результаты целесообразно использовать при обосновании допустимых величин массы С3£3 головы, (применимых в прошв-^внности, в Есоруягшш Силах и споцподравделениях, в строительстве и спорте) и времени псгения в оавиошооти от условий применения по

преддоаэгшоыу готязксу информативных физиологических, поихофиаио-логичеснзи ц биомеханических тестов.

2. При кесоо плена более 3,5 кг допустимое время его ношения ш>

превышает б часов; период от начала ношения до появления дискомфортных ощудений в условиях покоя составляет около 3,5 часов,' а при воздействии колебаний с меняющимися периодом и амплитудой вдоль оси "1" с пиками ускорений до ¿302 - около 1,6 часов.

3. При массе шлема 6,0 кг допустимое время его ношения составляет в часов; период от начала ношения до появления дискомфортных ощущений в условиях покоя - около 1,5 часов, а при воздействии колебаний с меняющимися периодом и амплитудой вдоль оси "2" с пиками ускорений до £33г - около 60 минут. Использование шлема массой 5,0 кг в условиях воздействия низкочастотной вибрации (до 60 Гц) недопустимо, так как он Вызывает неприемлимый уровень дискомфорта.

4. Ведущими симптомами в 'ограничении указанного времени являются признаки развития утомления, которые выражаются ощущениями субъективного дискомфорта, появлением точки локального давления, болей £ области позвоночника, появлением специфических изменений по тесту САН, а также стабило-, кефало- и электромиограмм, треморометрин.

б. Ношение шлема массой 7,0 кг в условиях покоя приводит к развитию мышечного утомления уже через 1,5 часа и тенденцию к понижению внут-риглааного давления - через 2 часа. При воздействии колебаний с меняющимися периодом и амплитудой вдоль, оси "2" с пиками ускорений до ¿ЗВг его ношение недопустимо (если конструктивно не предусмотрено снятие части осевой нагрузки на позвоночник) в связи с развитием предельных состояний с клинически значимыми проявлениями.

6.Выявленный симптомокомплекс нарушения функционального состояния человека при-ношении шлемов массой от 5 до 7 кг - состоит в развитии у обследуемых лиц непроизвольных, навязчивых кивательных движений головой во время исследования и снижении внутриглазного давления в периоде последействия.

7. При обосновании допустимых весовых нагрузок на область голову

- El -

ркменнтельно к проблеме разработки вацитных шлемов целесообразно спольвовать Предложенный в работе комплекс информативных физиологи-еских и психофизиологических тестов, включающий определение общего остояния и работоспособности обследуемого, показателей степени общего теплового • дискомфорта, изменений биомеханики тела и системы голо-а-вея, а так же показателей виутриглавного давления. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для оценки функционального состояния человека при ношении ИЗ головы и выполнении операторской деятельности целесообразно ио-одьаовать следующие информативные методы: 1. тест по оценке степени искомфорта, 2. показатель ФУС. 3. температура в области шеи 4. ста-илография, б.тест САН, 6. показатель внутриглазного давления.7.кефа-эграфия, 8. электрсмиография, 9.треморометрия,10.качественная аксе-эрометрия, 11. миотононетрия, 12.статическая выносливость мышц кисти, 3. ЧСС, 14. виброметрия

2. Существует насущная необходимость нормирования времени новения адитных шлемов в зависимости от кассы и условий применения.

ТИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: , Панин Н.Л. Спецработа. С.Б. ГНЦ РФ ИБФ ИЗШ РФ, Ц-394, Москва 1983, вып. 25, с.108-205

Панин Н.Л. Спецработа. С.Б. ГНЦ РФ ИВФ ЫЗМП РФ. Ц-1480-, Москва 1983г, 71 с., в соавт.: Талалаев A.A., Васюков Г.В., Назаров В.М. и др. Панин Н.Л. " К оптимизации конструкции сродств защиты головы." В сб."Мэдико-технические проблемы индивидуальной защити человека", Институт бнофиаикл УЗ СССР, Москва 1984 г., с. 145-150. Панин Н.Л." Поиск физиодогичеасих критериев регламентации маюи звцигшх шлемов." В cfl. тезисов 2-ой Всесоюзной конференции ''Фи

»иология экстремальных состояний и индивидуальная задата человека.", Институт биофизики Ю СССР. Москва 1885, с. 443. б. Panin N.L. " The physiological reaction to various helmet masses using a helmet, simulator in Conferenoa Prooeedlngs: New Developments in Mechanics, Biomechanics and Design Aspeots of Military Helmets. Farnborough,Hampshire,England, Deoember 1993. б. Осадчиева H. А. .Назаров В.M. .Панин Н.Л.199Я "Физиологе-гигиенические вопросы разработки СИЗ головы", Теаисы докладов Всеармейской научно-практической конференции:" Теоретические и прикладные вопро^ сы обитаемости и профессионального отбора", посвященной 30-летию научно-исследовательской лаборатории обитаемости и профессионал ного отбора и 76-летию'основателя лаборатории профессора Куприна И.Д.;Санкт-Петербург - Оевероморск, ЮТбг,часть 2,отр.6С