Автореферат и диссертация по медицине (14.03.08) на тему:Оценка функционального состояния организма при действии факторов космического полета на основе бесконтактной регистрации физиологических сигналов в ночной период суток

СИ

0046 9295

Слспченкова Ирина Николаевна

ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ПРИ ДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЁТА ПО ДАННЫМ БЕСКОНТАКТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В НОЧНОЙ ПЕРИОД СУТОК

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 О ЯНЗ 2011

Москва-2010 г.

004619295

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Государственном научном центре Институте медико-биологических проблем Российской академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор медицинских наук профессор

Баевский Роман Маркович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор медицинских наук, профессор

Шварков Сергей Борисович доктор биологических наук, профессор Сонькин Валентин Дмитриевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Государственное образовательное

учреждение дополнительного профессионального образования Российская медицинская академия последипломного образования, кафедра авиационной и космической медицины.

Защита диссертации состоится «23» декабря 2010 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 002.111.01 при Учреждении Российской

академии наук 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 «_

/9 » и^Я-^/и-^ 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, .

доктор биологических наук /М / Левинских М.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Космическая медицина с самых первых шагов уделяла серьёзное внимание изучению цикла "сон - бодрствование" в новых для человека условиях длительного пребывания на борту космических объектов. Это обусловлено исключительной биологической ролью сна как восстановительной фазы в циклах жизнедеятельности организма. Процессы восстановления в условиях длительного космического полёта могут усиливаться или ослабляться в связи с периодическими колебаниями функционального состояния (ФС) организма. В свою очередь, индикатором адаптации всего организма к условиям космического полета (КП) может выступать сердечнососудистая система (ССС) и ее регуляторные механизмы, как одна из главных «мишеней» действия факторов КП [В.В. Парин и др., 1967; M.Moser et al., 1992; А.И. Григорьев, P.M. Баевский,2007], что дает основание оценивать ФС организма по состоянию механизмов регуляции ССС.

Изучению сна в условиях КП посвящено большое количество исследований, [Б.С. Алякринский, 1972; В.И. Мясников.,1974,1988; И.П.Пономарева и соавт., 1976,1992,2001, И. Стоилова и соавт., 1989], однако задача изучения эффективности восстановительных процессов во время сна в условиях КП является принципиально новой. В нашей работе речь идет о получении объективной оценки эффективности восстановления ФР организма. Последнее, тесно связано с состоянием вегетативной регуляции ССС. Показано, что процессы восстановления во время сна сопровождаются смещением вегетативного баланса в сторону преобладания парасимпатического звена регуляции. Эти процессы могут контролироваться на основе использования методов анализа вариабельности сердечного ритма [Г. Воронецкас, 1976,1989; И.М. Воронин, Е.В. Бирюкова 2005].

Первые попытки оценить ФС человека во время сна в космосе на основе изучения вегетативной регуляции методом анализа вариабельности сердечного ритма были сделаны в начале 90-х годов. [P.M. Баевский, И.И., Фунтова, М.Мозер и др., 1992]. Разработанная методика была основана на регистрации баллистокардиограммы, отражающей изменения сил, обеспечивающих выброс крови из сердца в крупные сосуды с помощью датчика, закрепленного на спальном мешке. Эта методика реализована в 1992-1995 гг. в Российско-Австрийской космической программе (эксперимент "Ночь") [М. Moser, E.Gallasch, R.M. Baevsky et al., 1992; P.M. Баевский, B.B. Поляков, M. Мозер и др., 1998]. В ходе шести длительных экспедиций установлено, что используемый метод позволяет оценить восстановительные процессы во время сна, а также выявить изменения в состоянии высших вегетативных центров, связанные с процессом адаптации организма к условиям КП [R.M Baevsky., М. Moser, G.A. Nikulina et al., 1998].

На основе метода сейсмокардиографии был подготовлен научный эксперимент «Сонокард» на Международной космической станции (МКС) с целью разработки предложений по дальнейшему развитию и совершенствованию системы медицинского контроля с применением метода бесконтактного съёма физиологической информации в период сна [R.M. Baevsky, V.V. Bogomolov, I.I. Funtova, 2002; R.M. Baevsky, V.V. Bogomolov, A.G. Chernikova et al., 2007].

Таким образом, задача создания и внедрения в практику космической медицины простого и доступного метода изучения физиологических функций во время сна является актуальной и в этом плане особую значимость приобретает развитие и апробация новой методики с использованием на МКС нового прибора «Сонокард».

Цель работы - оценить функциональное состояние организма во время сна на основе использования бесконтактного метода регистрации

физиологических сигналов и анализа ВСР в модельных экспериментах с длительной изоляцией и условиях КП.

Задачи исследования:

1) Разработка методики оценки ФС организма во время сна на основе использования бесконтактного метода регистрации физиологических сигналов.

2) Выбор информативных показателей для оценки ФС организма при анализе данных, получаемых при бесконтактной регистрации физиологических сигналов с использованием методов сейсмокардиографии и баллистокардиографии.

3) Сравнение отобранных информативных показателей с данными полисомнографического исследования и разработка критериев, характеризующих эффективность процессов восстановления ФР во время сна.

4) Исследование ФС организма и оценка процессов восстановления ФР во время сна в длительном модельном эксперименте со 105-суточной изоляцией.

5) Исследование ФС и оценка процессов восстановления ФР во время сна при длительном действии факторов КП у членов экипажей Международной космической станции.

6) Разработка рекомендаций по использованию новой методики оценки ФС организма и процессов восстановления ФР во время сна в длительных космических полетах (КП).

Научная новизна. В работе впервые, на основе использования методов бесконтактной регистрации физиологических сигналов в условиях длительного КП, получены данные о состоянии различных звеньев системы вегетативной регуляции в ночной период суток на разных этапах полета. Для оценки степени восстановления ФР организма во время сна проведено сравнение показателей, получаемых при

бесконтактной регистрации физиологических сигналов, с данными полисомнографии. При этом выделены наиболее информативные показатели, к числу которых относятся разностные значения рЫЫ50 и 81 (первый - последний часы сна), характеризующие активность парасимпатического и симпатического звеньев регуляции соответственно. В 105-суточном модельном эксперименте впервые были получены данные об изменениях вегетативной регуляции в ночной период суток в условиях длительной изоляции в отсутствии воздействия факторов рабочей нагрузки. Получена информация о процессах восстановления ФР системы регуляции в ночной период суток при действии длительной изоляции. Впервые проведены систематические исследования ФС организма во время сна у членов экипажей Международной космической станции. Показано, что в полете происходит постепенный рост активности центральных механизмов регуляции кровообращения. Характерное снижение выраженности дыхательных волн (НР,%) в общем спектре к концу полета отмечается у большинства космонавтов.

Практическая значимость. Разработана и апробирована в ходе длительных полетов на Международной космической станции методика применения прибора «Сонокард» для бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна. Разработаны методы оценки ФС регуляторных систем и степени восстановления ФР организма во время сна в модельных экспериментах с длительной изоляцией («Марс-500») и в условиях длительного КП. Впервые предложен среднеполетный коэффицент качества сна. Разработанная методика может быть рекомендована к использованию в клинической и восстановительной медицине и в различных областях прикладной физиологии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ вариабельности сердечного ритма является информативным методом для оценки ФС организма и процессов восстановления ФР при бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна.

2. Средние ночные значения показателей, получаемые при отсутствии дневных рабочих нагрузок, адекватно отражают реакцию организма на комплексное воздействие остальных стрессорных факторов: а) в условиях длительной изоляции происходит усиление тонуса парасимпатического звена регуляции с одновременной активацией подкоркового сосудистого центра, б) в ходе длительных космических полетов наблюдается постепенный сдвиг вегетативного гомеостаза в сторону преобладания симпатического звена регуляции с включением в процесс адаптации на 56-м месяцах полета надсегментарных уровней системы регуляции.

3. Использование методов анализа ВСР для изучения качества сна и процессов восстановления ФР по разностным значениям показателей первого и последнего часов сна позволяет оценить не только процессы восстановления за текущую ночь, но и среднеполетное качество сна. Апробация работы. Основные результаты положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 7-й и 8-й научной конференции молодых ученых (ИМБП 2008,2009), на 60-th, 61-th International Astronautical Congress (Daejeon, Republic of Korea, 2009; Prague, Czech Republic, 2010), на 11-м Всероссийском научно-образовательном форуме «Кардиология-2009», на 17th IAA Humans in Space Symposium (Moscow), на 5-th International Congress of Medicine in Space and Extreme Environments (Berlin, 2010).

Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая медицина» Ученого Совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН 14 сентября 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Работа изложена на 125 листах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 15 таблиц. Указатель литературы включает 126 отечественных и 57 зарубежных источников.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведено 4 серии экспериментальных исследований с участием 37 человек, общее число проведенных исследований - 470. Характеристика проведенных исследований представлена в таблице 1. Программа исследований была одобрена комиссией по биомедицинской этике при ГНЦ РФ-ИМБП РАН, с информированным согласием добровольцев и космонавтов на участие в исследованиях.

Таблица 1.

Общая характеристика обследованных групп

№ сери и Наименования серий исследования Число обследованных лиц, п Количество исследовании Средний возраст, г. (М±т)

1 Сравнительная оценка данных полисомнографии и бесконтактной регистрации сигналов во время сна. 11 18 28,8±7,7

2 Эксперимент с 14-суточной изоляцией (2) 6 6 120 - ЭКГ 78 -бесконт 30,2±2,3 33,0±2,9

3 Эксперимент «Марс-105» со 105-суточной изоляцией 6 84- ЭКГ 42- бесконт 32,8±2,3

4 Бортовой эксперимент «Сонокард» на МКС До полета Во время полета После полета 8 128 19 97 12 41,0±2,6

Всего: 37 470

Первая серия исследований проведена с целью изучения сопоставимости данных, получаемых методом бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна (прибор «Кардиосон-3») с результатами стандартного метода полисомнографии. Исследования проведены на 11 практически здоровых людях в условиях Сомнологического центра Московской Медицинской академии им. И.М. Сеченова.

Во вторую экспериментальную серию включены два эксперимента с 14-суточной изоляцией в макете межпланетного корабля, подготовленного к проведению длительного эксперимента «Марс-500».

В каждом из экспериментов участвовала группа добровольцев из 6 человек (5 мужчин и 1 женщина). Для проведения исследований в обоих 14-суточных экспериментах использовались комплекс «Экосан-2007» и два прибора для бесконтактной регистрации сигналов во время сна -бортовой прибор «Сонокард» и его земной аналог «Кардиосон-3».

Целью одновременного использования двух приборов был выбор одного из них для применения в длительном эксперименте. Циклограмма каждого из 14-суточных экспериментов состояла из 3-х сессий исследований. Каждая сессия включала в себя: 1) вечернее и утреннее исследование комплексом «Экосан-2007» с регистрацией

электрокардиограммы (ЭКГ) в одном отведении в течение 5 минут в состоянии покоя; 2) каждую ночь регистрировалась сейсмокардиограмма прибором «Сонокард» и в отдельные ночи проводилась одновременная регистрация сигналов прибором «Кардиосон-3».

Третья серия включает исследования, проведенные в условиях 105— суточной изоляции. В эксперименте участвовал международный экипаж из 6 мужчин-добровольцев. Схема исследования включала ночную регистрацию баллистокардиограммы с помощью прибора «Кардиосон-03» и после пробуждения регистрация электрокардиограммы в течение 5

минут в условиях покоя посредством аппаратно-программного комплекса «Экосан-2007». Во время 105-суточного эксперимента было проведено 5 серий исследований, фоновое исследование за 7 суток до начала эксперимента и исследование через 7 суток после окончания изоляции.

Четвертая серия исследований осуществлена в рамках бортового эксперимента «Сонокард» с участием 8 Российских космонавтов на Международной космической станции. Длительность каждого КП составляла около 6 месяцев. Регистрация сейсмокардиограммы прибором «Сонокард» осуществлялась каждые 14 суток полета. Фоновые исследования проводились за 60, 40 и 20 суток до старта и дважды в реабилитационный период на 1-2 и 5-6 сутки после посадки.

Аппаратура и методы. Для проведения исследований использовались три аппаратно-программных комплекса: «Сонокард», «Кардиосон-3» и «Экосан-2007».

Комплекс «Сонокард» используется для проведения научного эксперимента «Сонокард» на борту МКС. Прибор выполнен в виде компактного устройства (210x140x18 мм), внутри которого расположены: датчик-акселерометр, усилительно-преобразовательное устройство, блок памяти, контроллеры для связи с внешним компьютером и источник питания. Прибор размещается слева в кармане майки (футболки) космонавта (рис.1) и его датчик воспринимает микроколебания грудной стенки, связанные с работой сердца. После пробуждения прибор подсоединяется к бортовому компьютеру и из памяти прибора считывается записанную в течение ночи информацию. Эти данные затем оперативно передаются на Землю по каналам связи для детального анализа полученных материалов в лабораторных условиях, а перед возвращением на Землю перезаписываются на карту памяти типа PCMCIA.

I Рис. 1. Установка космонавтом прибора «Сонокард» для проведения исследования.

Комплекс «Кардиосон-3» представляет собой земной аналог

I устройства «Сонокард». Прибор разрабатывался с целью внедрения

космических технологий в практику здравоохранения [P.M. Баевский, И.И. Фунтова, Д.А. Прилуцкий, A.M. Сударев, 2008]. Он представляет собой плоскую платформу из двух пластин, соединенных упругими элементами из пластика. Внутрь устройства помещен пьезоэлектрический датчик, регистрирующий микроперемещения одной из пластин по

[ отношению к другой, связаные с линейными микроперемещениями тела,

обусловленными работой сердца, дыханием и двигательной активностью.

| Плоская платформа размером 370x370x5 размещается под матрацем или

под подушкой. Специальное усилительно-преобразующее устройство, связанное с компьютером обеспечивает усиление, передачу и запоминание сигналов. При этом регистрируется баллистокардиограмма -кривая микроперемещений всего тела, связанных с сердечной

I деятельностью.

I Комплекс «Экосан-2007» является многоцелевым прибором. При этом

I

! в одном устройстве совмещаются три блока, предназначенные

соответственно для электрокардиологического исследования, для записи показателей, характеризующих систему кровообращения и дыхания и для психофизиологического тестирования. С помощью специальных компьютерных программ обеспечивается проведение серии функциональных тестов для оценки ФР отдельных систем и целостного

L _ _ _

организма. В данной работе из всего комплекса данных, получаемых при обследовании с помощью «Экосан-2007» использовались только результаты анализа вариабельности сердечного ритма. Исследования комплексом «Экосан-2007» проводились в утренние часы сразу после проведения ночных исследований прибором «Кардиосон-3».

Методы обработки и анализа данных. Записи сигналов, получаемых с помощью приборов «Сонокард» и «Кардиосон-3», представляют собой результат регистрации всех вибраций - экзо и эндогенного происхождения, воспринимаемых датчиком - акселерометром.

На рисунке 2 представлен фрагмент записи, отражающий различные физиологические процессы, выделяемые при бесконтактной регистрации физиологических сигналов.

1уА

Л) Фрагмент сигнала с комплексами отражающими сердечную деятельности

Б) Фрагмент сигнала во время движения космонавта

В) Фрагмент сигнала с огибающей отражающей дыхательную составляющую

Рис.2. Фрагменты сигналов, отражающие различные физиологические процессы.

Выделение полезного сигнала из исходных записей занимает центральное место в методическом обеспечении исследований. При обработке данных основное внимание было обращено на распознавание сейсмо- и баллистокардиографических комплексов и определение длительности кардиоциклов для построения динамического ряда кардиоинтервалов. Специальное программное обеспечение «Согг» для решения этой задачи было разработано программистом О.И. Усс. Автор принимала непосредственное участие в его отладке и апробации.

Программное обеспечение позволяет осуществлять анализ ВСР на 5-минутных участках записи, свободных от двигательной активности и артефактов, и в каждом из них вычисляет стандартные временные и частотные показатели ВСР. Анализ и физиологическая интерпретация показателей ВСР проводились в соответствии с рекомендациями группы Российских экспертов [P.M. Баевский, Г.Г. Иванов и др., 2001] и стандартам Европейского общества кардиологов и Северо-Американского общества по электростимуляции и электрофизиологии [1996]. Для анализа ВСР в исследованиях с использованием комплекса «Экосан-2007» применялась программа «ИСКИМ-6» (ИВНМТ «Рамена», г. Рязань).

Статистическая обработка результатов исследований проводилась с применением пакета программ "Statistica 6". Сравнение переменных выполнялось при помощи критерия парных сравнений Стьюдента. Различия считались достоверными при р<0,05. Результаты исследований представлены как средние арифметические значения ± ошибка среднего (М±ш).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнительная оценка результатов бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна с данными полнсомнографни

В таблице 2 приведены коэффициенты взаимной корреляции между показателями полисомнографии и параметрами, определяемыми бесконтактным методом исследования.

По результатам исследований прибором «Кардиосон-3» в анализ включены следующие три группы показателей: 1) средненочные данные, 2) разности значений показателей в первый и в последний часы сна, 3)

разности значений показателей в первый и в последний часы сна в процентах к первому часу сна.

Таблица 2.

Корреляция некоторых показателей полисомнограммы с результатами анализа данных бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна с помощью прибора «Кардиосон-3».

Прибор «Кардиосон-3» Показатели полисомнограммы

Индекс сна Эффект, сна Длительн. засып Длительн. И£М Длительн. бодрств Число циклов

ЧСС (н-к),% -0,63 0,67 0,55 -0,82 -0,51

ББШ (н-к) 0,49 -0,62 -0,54 0,65 -0,57

рШ50 (н-к) 0,56 -0,73 0,61 -0,64 0,79 0,68

51( н-к),% -0,53 0,69 -0,52 0,52 -0,67 0,67

ЧД(ср) -0,62 0,72 0,78 -0,72 0,58

Результаты экспериментальных исследований по программе «Марс-500»

Для выбора оптимальной схемы исследований и получения исходных данных о динамике измеряемых показателей во время сна в условиях длительной изоляции были проведены два 14-суточных медико-технических эксперимента.

Модельный эксперимент с изоляцией длительностью в 105 суток по проекту «Марс-500» проводился в Государственном Научном Центре РФ -Институте медико-биологических проблем РАН в экспериментальном комплексе, имитирующем межпланетный корабль.

Результатом 14-суточных экспериментов наряду с уточнением методики исследований явился выбор для применения в условиях длительного модельного эксперимента с изоляцией прибора «Кардиосон-3». Использование прибора «Сонокард» в наземных условиях оказалось менее удобным, чем в космосе.

На рисунке 3 представлены результаты оперативной оценки средненочных значений ЧСС, ЧД и ДА вовремя 105-суточной изоляции.

Рис.3. Динамика средненочных значений ЧСС, ЧД и ДА в эксперименте со 105-суточной изоляцией.

Видна тенденция к снижению частоты пульса и достоверный рост частоты дыхания и двигательной активности в течение эксперимента. Для оценки механизмов наблюдаемых изменений рассмотрим результаты анализа ВСР, характеризующие состояние вегетативной регуляции.

В таблице 3 представлены средненочные значения основных показателей вариабельности сердечного ритма за весь период проведения 105-суточного эксперимента.

Таблица 3.

Средненочные значения основных показателей вариабельности _сердечного ритма в эксперименте «Марс-105» _

Показ атели До эксперимента 105-суточная изоляция После эксперимент а

17-20 д 34-36 д 50-52д 80-82д 100-102д

ЧСС 54,00± 3,35 50,30± 2,44 53,42± 3,12 52,68± 2,84 50,60± 3,11 51,48± 2,79 57,90± 3,45

рШ5 0,% 22,52± 6,36 30,05± 9,13 22,12± 7,89 21,06± 6,07 25,16± 6,63 26,32± 8,73 18,82± 6,02

81, усл.ед. 106,60± 28,28 70,83± 16,46 86,26± 18,63 89,44± 15,20 81,67± 16,71 78,17± 15,99 137,93± 35,58

45,18± 6,86 52,63± 6,92 50,30± 5,70 48,22± 5,01 51,45± 5,94 53,42± 6,40 43,57± 5,86

ТР,мс2 2197,44± 557,33 2644,98± 696,45 2399,30± 708,94 2341,18± 440,17 2668,70±6 15,07 2690,82±6 89,27 1930,07 ±547,57

32,70± 3,65 34,43± 5,71 25,46± 5,75 26,24± 5,17 26,65± 3,18 27,93± 4,06 30,32± 2,17

36,80± 2,7 3 39,63± 3,24 45,10± 3,99 43,20± 3,04 43,78± 1,63 41,48± 2,21 41,83± 2,50

УЬГ, % 30,42± 2,65 25,95± 3,53 29,46± 2,73 30,56± 3,39 29,58± 1,91 30,58± 2,36 27,85± 1,31

В течение 1-го месяца изоляции во время сна отмечается смещение вегетативного гомеостаза в сторону усиления парасимпатического влияния по сравнению с исходными данными. Имеет место тенденция к снижению ЧСС и уменьшению стресс индекса, а также наблюдается тенденция к росту ЗОЫЫ (стандартного отклонения массива кардиоинтервалов) и р NN50 (показателя степени преобладания парасимпатического звена регуляции).

Со 2-го месяца изоляции выявляется увеличение уровня активности вазомоторного центра (ЬР) и снижение активности парасимпатического звена регуляции (НИ), что указывает на активацию симпатического центра сосудистой регуляции. Однако, к концу эксперимента прослеживается тенденция к росту вагусной активности. После окончания эксперимента наблюдается смещение вегетативного баланса в сторону симпатического звена регуляции, что, по-видимому, обусловлено психоэмоциональным напряжением, связанным с окончанием длительного эксперимента.

Как известно, восстановительные процессы, связанные с ночным сном, проявляются уменьшением частоты пульса в утренние часы, по сравнению с вечерними и ростом активности парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (Г. Воронецкас 1976, 1989). Данные, полученные до эксперимента, показывают, что имеются закономерные изменения, характеризующие процессы восстановления. По сравнению с 1-м часом сна к утру снижаются ЧСС, 81, НР,%, увеличиваются значения показателей р№450, ЗОМИ, ТР, ЬР,%. Под влиянием факторов длительной изоляции эти закономерности нарушаются.

На рисунке 4 показаны разностные значения показателя р№450 во время 105-суточной изоляции. Видно, что в последние сутки в гермообъекте и после эксперимента вместо активации

парасимпатического звена регуляции к утру наблюдалось снижение рШ50.

Разности "вечер-утро"

Ш о

ад.—0т.

Рис. 4. Среднегрупповые разностные значения показателя рЫ^О во время 105-суточной изоляции.

Что свидетельствует о нарушении нормального восстановительного процесса во время сна, возможно связанном с психоэмоциональным напряжением, вызванным ожиданием окончания эксперимента.

На рисунке 5 представлены данные индивидуальной динамики ЧСС и у двух испытателей.

■ ЧСС вечер СИЧСС утро

Рис_5. Индивидуальная динамика ЧСС и стресс индекса (81) у двух участников эксперимента со 105-суточной изоляцией.

Восстановительные процессы во время сна для одного из них были достаточными (1001), у второго (1006) наблюдались нарушения восстановления ФР в течение ночи во второй половине эксперимента. На снижение качества сна указывает также рост значений двигательной активности. Результаты исследований, проведенных в условиях 105-

суточной изоляции, были верифицированы двумя путями. Во-первых, они сравнивались с результатами полисомнографических исследований, выполненных в ходе этого эксперимента специалистами из ММА им. И.М. Сеченова. При этом была получена высокая сопоставимость индивидуальных оценок качества сна. Во-вторых - с результатами исследований полученных с помощью комплекса «Экосан-2007», с помощью которого было установлено, что ухудшение восстановительной способности сна в среднем по группе к концу эксперимента сопровождается ростом напряжения регуляторных систем в утренние часы.

Применение прибора «Кардиосон-3» в длительном наземном эксперименте показало, что предложенная технология бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна проста, удобна и надежна. По результатам проведенных испытаний методика рекомендована к дальнейшему использованию в 520-суточном эксперименте.

Результаты исследований на Международной космической станции.

Данные, полученные в ходе научного эксперимента «Сонокард» на борту Международной космической станции объективно характеризуют изменения ФС организма, связанные с длительным действием факторов КП. Впервые можно говорить об изменениях, на которых непосредственно не отражаются факторы рабочей нагрузки и психоэмоционального напряжения, всегда присутствующие при выполнении научных экспериментов в рамках штатной программы полета. Несмотря на наличие индивидуальных особенностей вегетативной регуляции и психологического статуса, отчетливо проявляются общие закономерности динамики, характеризующие адаптационные реакции организма на разных этапах полета (рис.7).

|~» • ЧСС —А—чд)

4000 3500 3000 "2500 2000 1500 1000

40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20

Рис. 7. Динамика средних ночных значений частоты пульса (ЧСС), частоты дыхания (ЧД) и показателей спектрального анализа ВСР (№, и, УЬР, ТР и 1С) во время полетов МКС-16-22.

Частота дыхания в условиях полета достоверно уменьшается, что, по-

видимому, обусловлено снижением энергетического обмена. В послеполетном периоде и ЧСС и ЧД увеличиваются по сравнению с полетными данными и исходными значениями.

В полете наблюдается постепенный рост активности центральных механизмов регуляции кровообращения, о чем говорит почти двукратный рост величины индекса централизации. Динамика НР, 1ЛГ и УЬР указывает на увеличение активности отдельных регуляторных механизмов и включение в процесс адаптации дополнительных звеньев системы вегетативной регуляции. В первые два месяца полета растет активность подкорковых симпатических центров регуляции сосудистого тонуса (ЬР).

С пятого месяца полета в процесс адаптации активно включаются эрготропные надсегментарные центры (УЬР). Все эти изменения проходят на фоне неуклонного роста активности симпатического звена регуляции (снижение НР), что коррелирует с отмеченным выше увеличением индекса централизации.

Таким образом, можно считать достоверно установленным фактом, что в условиях длительного КП происходит постепенная перенастройка вегетативного гомеостаза на преобладание симпатического звена регуляции с отчетливым включением в адаптационный процесс центральных уровней регуляторного механизма. Необходимо специально остановиться на индивидуальных особенностях адаптации организма к условиям длительного КП. Ранее было показано, что характер адаптационных реакций существенно различается у космонавтов с различными типами вегетативной регуляции (А.Г.Черникова, 2010). На рисунке 8 динамика показателя НР в шести длительных полетах на МКС.

Рис. 8. Индивидуальные особенности динамики показателя НР в длительных полетах на МКС у 6-ти космонавтов.

Наглядно проявляется индивидуальный тип адаптации к условиям КП. Характерное снижение величины НР к концу полета отмечается у большинства космонавтов, но степень этого снижения различна.

Качество сна и эффективность процессов восстановления ФР могут быть оценены путем сопоставления данных первого и последнего часа сна. Весьма наглядным является графическое отображение разностных значений ЧСС и рКЫ50. Во время сна величина ЧСС снижается. Показатель р№ч[50, наоборот, растет в связи с увеличением активности парасимпатического звена регуляции. В качестве примера на рис.9

представлена динамика разностных значений ЧСС и рЫЫ50 во время полета. Противофазный характер изменений выбранных двух показателей позволяет получить наглядную картину наличия и степени нарушения их нормальных взаимоотношений. Качество сна за весь полет можно оценить по соотношению числа ночей с нормальными соотношениями динамики ЧСС и р!Ш50 в % к общему числу проведенных в полете исследований.

Т-г

рурпп

III I

/

Рис. 9. Оценка качества сна по разностным значениям показателей ЧСС и рНЫ50 у двух членов одного экипажа.

Анализ качества сна у членов экипажей МКС по разностным значениям показателей ВСР показал, что сон в условиях длительной КП не всегда обеспечивает достаточное восстановление ФР организма. Так, из исследованных нами В членов экипажей, среднеполетное качество сна выше 80% было у трех космонавтов, у четырех космонавтов оно было в пределах 50-80% и у одного - ниже 50%. Следует также отметить, что субъективная оценка качества сна членами экипажей лишь в 70-80% случаев совпадает с объективными данными.

выводы.

1. Разработана методика бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна с использованием приборов «Сонокард» и «Кардиосон-3» при проведении длительных наземных экспериментов с изоляцией по моделированию работы космического экипажа при полете к Марсу и в условиях длительного КП на МКС.

2. Распознавание и измерение длительностей сердечных циклов сейсмо- и баллистокардиограммы при бесконтактной регистрации физиологических сигналов позволяет оценить ФС систем регуляции кардиореспираторной системы а также и получить информацию о состоянии различных звеньев вегетативной регуляции, а также оценить степень восстановления ее ФР во время сна по данным анализа вариабельности сердечного ритма.

3. Для оценки ФС организма во время сна по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов могут быть использованы средненочные значения показателей вариабельности сердечного ритма, а для оценки степени восстановления ФР - разности значений показателей в первые и в последние часы сна.

4. Результаты анализа ВСР у здоровых людей по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов показали хорошую корреляцию с данными полисомнографии (р=055-083).

5. В модельном эксперименте с длительной 105-суточной изоляцией (эксперимент Марс-105) показано, что в новых условиях вегетативный гомеостаз смещен в сторону несколько более высокой активности парасимпатического звена регуляции (снижение средненочных значений ЧСС и и рост и рМЫ50) с одновременной активацией подкоркового сосудистого центра (увеличение показателя 1Л7).

6. Оценка ФС членов экипажей МКС, по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна, показала, что в

отсутствие рабочих нагрузок и психоэмоциональных напряжений под влиянием длительной КП формируется новый уровень вегетативного гомеостаза со значительным усилением активности симпатического звена регуляции.

7. Оценка степени восстановления ФР (качества сна), по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна, в условиях длительного действия КП позволила установить что индивидуальные коэффициенты качества сна в полете колеблются между 37 и 91% и это дает основание для развития и применения соответствующих мер профилактики.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанная методика оценки ФС организма и степени восстановления ФР во время сна на основе бесконтактной регистрации физиологических сигналов может быть рекомендована для использования в практике медицинского контроля состояния здоровья членов космических экипажей.

2. Опыт использования разработанной методики бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна в эксперименте с длительной 105-суточной изоляцией позволяет рекомендовать ее к применению в длительном эксперименте «Марс-500» по моделированию деятельности экипажа при полете к Марсу.

3. Разработанная методика и критерии оценки ФС и степени восстановления ФР организма во время сна на основе бесконтактной регистрации физиологических сигналов могут быть рекомендованы к использованию в клинической практике и в восстановительной медицине.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баевский Р.М., Богомолов В.В., Фунтова И.И., Слепченкова И.Н., Черникова А.Г. Перспективы развития системы медицинского контроля в длительном космическом полёте на основе бесконтактной регистрации физиологических функций во время сна. // Авиакосмическая и экологическая медицина,- 2009. - №6. С.3-8.

2. Баевский Р.М., Берсенев Е.Ю., Слепченкова И.Н., Лучицкая Е.С., Черникова А.Г. Индивидуальные особенности адаптационных реакций в эксперименте «Марс-105». // Технология живых систем. 2009.№8.С.61-66.

3. Федорова И.Н., Черникова А.Г., Фунтова И.И., Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма во время сна у членов экипажей международной космической станции. // Материалы IV всероссийского симпозиума "Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и практическое применение" с международным участием, 19-21 ноября 2008г. С.316-319.

4. Федорова И.Н., Лучицкая Е.С. Исследование состояния ССС и ее регуляторных механизмов при 14суточной изоляции. // Материалы VII-й научной конференции молодых ученых. М. 2008. С.5-6.

5. Федорова И.Н., Черникова А.Г. Изучение возможности получения оперативных данных о состоянии здоровья членов экипажа МКС по данным научного эксперимента «Сонокард». Материалы VIII-й научной конференции молодых ученых. М. 2009. С. 53-54

6. Федорова И.Н., Фунтова И.И., Черникова А.Г., Баевский Р.М. Первые результаты исследования вариабельности сердечного ритма бесконтактным методом во время сна у членов экипажа международной космической станции. // В кн: Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы. М. 2009. С.280-294.

7. Федорова И.Н., Черникова А.Г., Фунтова И.И. Анализ вариабельности сердечного ритма во время сна у членов экипажей МКС. // Материалы 11-го Всероссийского научнообразовательного форума «Кардиология-2009» М.- 2009. С.296-297.

8. Fedorova I.N., Funtova I.I., Chernikova A.G., Bogomolov V.V., Baevsky R.M. Results and prospects of research experiment "Sonocard" aboard the international space station.//Abstracts of the 17th IAA Humans in Space Symposium, Moscow, Russia, June 7 - 11,2009. ID-0060. P.37-38.

9. Берсенев Е.Ю., Берсенева А.П., Слепченкова И.Н., Баевский Р.М. Кардиологические исследования в эксперименте Марс-500. // Вестник Аритмологии. 2010. Приложение Б. Тезисы РОХМиНЭ, В. Новгород, 2829 апреля 2010 г. С.42-43.

10. Baevsky R.M., Bogomolov V.V., Funtova I.I., Katuntsev V.P., Luchitskaya E.S., Slepchenkova I.N. How do cosmonauts sleep in

microgravity? [Electronic Recourse] // Abstracts of the 61-th International Astronautical Congress. Prague. September 28 - October 2. 2010. IAC-10.A1.2.5 Access Mode: hitp://www.iafastro.org

11. Slepchenkova I., Luchitskaya E.S. Application of board systems «Sonocard» and «Pneumocard» in the 105 - day experiment on the project «Mars-500». // Abstracts of the 5-th International Congress of Medicine in Space and Extreme Enviroments. Berlin. Oct 19-21.2010.ICMS00087. P.61-62.

12. Slepchenkova I., Funtova I.I., Space experiment "Sonocard": Results and Perspectives. // Abstracts of the 5-th International Congress of Medicine in Space and Extreme Environments, Berlin, Oct. 18-21.-2010. ICMS00030. P.61.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

BCP - вариабельность сердечного ритма

ДА - двигательная активность

ИН - индекс напряжения

МКС - Международная космическая станция

ССС - сердечно-сосудистая система

ФР - функциональные резервы

ФС - функциональное состояние

ЧД - частота дыхания

ЧСС - частота сердечных сокращений

HF - мощность спектра высокочастотного компонента ВСР

InSleep - индекс сна

1С - индекс централизации

LF - мощность спектра низкочастотного компонента ВСР

pNN50 - процент NN50 от общего количества пар последовательных

интервалов NN

SI - стресс индекс (индекс напряжения регуляторных систем) SDNN — стандартное отклонение величин интервалов NN TP - общая мощность спектра ВСР

VLF - мощность спектра очень низкочастотного компонента ВСР

Подписано в печать: 17 Л1.2010

Заказ № 4580 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Космическая медицина с самых первых шагов уделяла серьёзное внимание изучению цикла "сон — бодрствование" в новых для человека условиях длительного пребывания на борту космических объектов. Это обусловлено исключительной биологической ролью сна как восстановительной фазы в циклах жизнедеятельности организма. Восстановительная теория сна объясняет его физиологическое значение необходимостью восстановления параметров гомеостаза, измененных в связи с активной деятельностью при бодрствовании. Согласно циркадианной теории сна он появился в процессе эволюции в качестве механизма гомеостатической регуляции, предупреждающего появление физиологического дефицита функций. Процессы восстановления в условиях длительного космического полёта могут усиливаться или ослабляться в связи с периодическими колебаниями функционального состояния (ФС) организма. В свою очередь, индикатором адаптации всего организма к условиям космического полета (КП) может выступать сердечно-сосудистая система (ССС) и ее регуляторные механизмы, как одна из главных «мишеней» действия факторов КП (В.В. Парин и др., 1967; M.Moser et al., 1992; А.И. Григорьев, P.M. Баевский,2007), что дает основание оценивать ФС организма по состоянию механизмов регуляции ССС.

Изучению сна в условиях КП посвящено большое количество исследований, [Б.С. Алякринский, 1972; В.И. Мясников.,1974,1988; И.П.Пономарева и соавт., 1976,1992,2001, И. Стоилова и соавт., 1989]. Все они были направлены на изучение архитектоники сна, однако задача изучения эффективности восстановительных процессов во время сна в условиях КП является принципиально новой. В нашей работе речь идет о получении объективной оценки эффективности восстановления ФР организма. Последнее, тесно связано с состоянием вегетативной регуляции ССС. Показано, что процессы восстановления во время сна сопровождаются смещением вегетативного баланса в сторону преобладания парасимпатического звена регуляции. Эти процессы могут контролироваться на основе использования методов анализа вариабельности сердечного ритма [Г. Воронецкас, 1976,1989; И.М. Воронин, Е.В. Бирюкова 2005].

Первые попытки оценить ФС человека во время сна в космосе на основе изучения вегетативной регуляции методом анализа вариабельности сердечного ритма были сделаны в начале 90-х годов. [P.M. Баевский, И.И., Фунтова, М.Мозер и др., 1992]. Разработанная методика была основана на регистрации баллистокардиограммы, отражающей изменения сил, обеспечивающих выброс крови из сердца в крупные сосуды с помощью датчика, закрепленного на спальном мешке. Эта методика реализована в 1992-1995 гг. в Российско-Австрийской космической программе (эксперимент "Ночь") [М. Moser, E.Gallasch, R.M. Baevsky et al., 1992; P.M. Баевский, B.B. Поляков, M. Мозер и др., 1998]. В ходе шести длительных экспедиций установлено, что используемый метод позволяет оценить восстановительные процессы во время сна, а также выявить изменения в состоянии высших вегетативных центров, связанные с процессом адаптации организма к условиям КП [R.M Baevsky., М. Moser, G.A. Nikulina et al., 1998].

На основе метода сейсмокардиографии был подготовлен научный эксперимент «Сонокард» на Международной космической станции (МКС) с целью разработки предложений по дальнейшему развитию и совершенствованию системы медицинского контроля с применением метода бесконтактного съёма физиологической информации в период сна [R.M. Baevsky, V.V. Bogomolov, LI. Funtova, 2002; R.M. Baevsky, V.V. Bogomolov, A.G. Chernikova et al., 2007].

Таким образом, задача создания и внедрения в практику космической медицины простого и доступного метода изучения физиологических функций во время сна является актуальной и в этом плане особую значимость приобретает развитие и апробация новой методики с использованием на МКС нового прибора «Сонокард».

Цель работы - оценить функциональное состояние организма во время сна на основе использования бесконтактного метода регистрации физиологических сигналов и анализа ВСР в модельных экспериментах с длительной изоляцией и условиях КП.

Задачи исследования:

1) Разработка методики оценки ФС организма во время сна на основе использования бесконтактного метода регистрации физиологических сигналов.

2) Выбор информативных показателей для оценки ФС организма при анализе данных, получаемых при бесконтактной регистрации физиологических сигналов с использованием методов сейсмокардиографии и баллистокардиографии.

3) Сравнение отобранных информативных показателей с данными полисомнографического исследования и разработка критериев, характеризующих эффективность процессов восстановления ФР во время сна.

4) Исследование ФС организма и оценка процессов восстановления ФР во время сна в длительном модельном эксперименте со 105-суточной изоляцией.

5) Исследование ФС и оценка процессов восстановления ФР во время сна при длительном действии факторов КП у членов экипажей Международной космической станции.

6) Разработка рекомендаций по использованию новой методики оценки ФС организма и процессов восстановления ФР во время сна в длительных космических полетах (КП).

Научная новизна. В работе впервые, на основе использования методов бесконтактной регистрации физиологических сигналов в условиях длительного КП, получены данные о состоянии различных звеньев системы вегетативной регуляции в ночной период суток на разных этапах полета. Для оценки степени восстановления ФР организма во время сна проведено сравнение показателей, получаемых при бесконтактной ^регистрации физиологических сигналов, с данными полисомнографии. При этом выделены наиболее информативные показатели, к числу которых относятся разностные значения рЫЫЗО и 81 (первый - последний "часы сна), характеризующие активность парасимпатического и симпатического звеньев регуляции соответственно. В 105-суточном модельном эксперименте впервые были получены данные об изменениях вегетативной регуляции в ночной период суток в условиях длительной изоляции в отсутствии воздействия факторов рабочей нагрузки. Получена информация о процессах восстановления ФР системы регуляции в ночной период суток при действии длительной изоляции. Впервые проведены систематические исследования ФС организма во время сна у членов экипажей Международной космической станции. Показано, что в полете происходит постепенный рост активности центральных механизмов регуляции кровообращения. Характерное снижение выраженности дыхательных волн (Ш%%) в общем спектре к концу полета отмечается у большинства космонавтов.

Практическая значимость. Разработана и апробирована в ходе длительных полетов на Международной космической станции методика применения прибора «Сонокард» для бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна. Разработаны методы оценки ФС регуляторных систем и степени восстановления ФР организма во время сна в модельных экспериментах с длительной изоляцией («Марс-500») и в условиях длительного КП. Впервые предложен среднеполетный коэффицент качества сна. Разработанная методика может быть рекомендована к использованию в клинической и восстановительной медицине и в различных областях прикладной физиологии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ вариабельности сердечного ритма является информативным методом для оценки ФС организма и процессов восстановления ФР при бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна.

2. Средние ночные значения показателей, получаемые при отсутствии дневных рабочих нагрузок, адекватно отражают реакцию организма на комплексное воздействие остальных стрессорных факторов: а) в условиях длительной изоляции происходит усиление тонуса парасимпатического звена регуляции с одновременной активацией подкоркового сосудистого центра, б) в ходе длительных космических полетов наблюдается постепенный сдвиг вегетативного гомеостаза в сторону преобладания симпатического звена регуляции с включением в процесс адаптации на 5-6-м месяцах полета надсегментарных уровней системы регуляции.

3. Использование методов анализа ВСР для изучения качества сна и процессов восстановления ФР по разностным значениям показателей первого и последнего часов сна позволяет оценить не только процессы восстановления за текущую ночь, но и среднеполетное качество сна.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна с использованием приборов «Сонокард» и «Кардиосон-3» при . проведении длительных наземных экспериментов с изоляцией по моделированию работы космического экипажа при полете к Марсу и в условиях длительного КП на МКС.

2. Распознавание и измерение длительностей сердечных циклов сейсмо- и баллистокардиограммы при бесконтактной регистрации физиологических сигналов позволяет оценить ФС систем регуляции кардиореспираторной системы а также и получить информацию о состоянии различных звеньев вегетативной регуляции, а также оценить степень восстановления ее ФР во время сна по данным анализа вариабельности сердечного ритма.

3. Для оценки ФС организма во время сна по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов могут быть использованы средненочные значения показателей вариабельности сердечного ритма, а для оценки степени восстановления ФР — разности значений показателей в первые и в последние часы сна.

4. Результаты анализа ВСР у здоровых людей по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов показали хорошую корреляцию с данными полисомнографии (р=055-083).

5. В модельном эксперименте с длительной 105-суточной изоляцией (эксперимент Марс-105) показано, что на первом этапе вегетативный гомеостаз смещен в сторону несколько более высокой активности парасимпатического звена регуляции (снижение средненочных значений ЧСС и и рост и рМЧ50) с последующей активацией подкоркового сосудистого центра (увеличение показателя Ы7).

6. Оценка ФС членов экипажей МКС, по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна, показала, что в отсутствие рабочих нагрузок и психоэмоциональных напряжений под влиянием длительной КП формируется новый уровень вегетативного гомеостаза со значительным усилением активности симпатического звена регуляции.

7. Оценка степени восстановления ФР (качества сна), по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна, в условиях длительного действия КП позволила установить что индивидуальные коэффициенты качества сна в полете колеблются между 37 и 91% и это дает основание для развития и применения соответствующих мер профилактики.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанная методология оценки функционального состояния организма и степени восстановления функциональных резервов во время сна на основе бесконтактной регистрации физиологических сигналов может быть рекомендована для использования в практике медицинского контроля состояния здоровья космонавтов.

2. Опыт использования разработанной методологии бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна в эксперименте с длительной 105-суточной изоляцией позволяет рекомендовать ее к применению в длительном эксперименте «Марс-500» по моделированию деятельности экипажа при полете к Марсу.

3. Разработанная методология и критерии оценки функционального состояния и степени восстановления функциональных резервов организма во время сна на основе бесконтактной регистрации физиологических сигналов могут быть широко использованы в клинической практике и в восстановительной медицине.