Новые методы функциональной диагностики для оценки состояния сердечно-сосудистой системы в условиях "сухой" иммерсии

Исследования как адаптивного, так и врожденного иммунитета человеческого организма выявили разнонаправленные реакции на пребывание в условиях СИ, имеющие ярко выраженный индивидуальный характер [15, 95]. Исследования психофизиологического статуса и нейроэндокринной регуляции показали снижение уровня трийодтиронина, кортизола и рост пролактина и тироксина [85].

Исследования состояния микроциркуляторного русла кожи, выполненные в ходе эксперимента с СИ, выявили признаки дисфункции эндотелия [70, 159]. Ультразвуковой анализ периферической гемодинамики показал: замедление линейной скорости кровотока по магистральным артериям и венам головы и нижних конечностей [80]. В исследованиях кровотока голени в ходе физической нагрузки было высказано предположение, что пребывание в условиях СИ усиливает конкурентное взаимодействие между локальной рабочей гиперемией и центральными вазоконстрикторными влияниями, направленными на поддержание «циркуляторного гомеостаза» [102].

Пребывание в условиях опорной разгрузки оказывает существенное влияние на кровоснабжение работающих мышц у человека, причем изменения могут зависеть от типа работы (локальной, глобальной) и положения тела (вертикального, горизонтального). Максимальный кровоток в голени после пребывания в условиях АНОГ и СИ уменьшается на 7-20 %, а постконтракционная гиперемия (ПКГ) после стандартной работы мышц-разгибателей голени заметно увеличивается. В противоположность ПКГ кровоток во время естественных локомоций под воздействием моделируемой гравитационной разгрузки снижается [20]. После 5-суточной СИ не было обнаружено изменений метаборефлекторной регуляции параметров гемодинамики при локальной статической работе [16].

Основным практическим аспектом использования модели СИ является определение эффективности новых средств профилактики негативных влияний невесомости. В конце 70-х годов проводились широкие исследования эффективности применения ЦКР [19, 33, 119, 137]. Позже в условиях СИ испытывали эффективность таких профилактических средств, как антигравитационный костюм [68], велоэргометрия [118, 175], электромиостимуляция [39, 59, 64, 141], водно-солевые добавки [62, 119], окклюзионные манжеты [4], компенсатор опорной разгрузки [31, 75, 146, 149, 152, 157, 158, 166, 178], различные фармакологические средства [39, 49, 67]. Модель СИ активно использовалась при разработке костюма аксиальной нагрузки «Пингвин» [14]. Результаты исследования физической работоспособности после воздействия СИ легли в основу разработки бортовой автономной экспертной системы физических тренировок «Басуфт» [168]. Клиническое применение СИ впервые нашла в лечении отеков, особенно трудноизлечимых различной этиологии (сердечно-сосудистых заболеваний, ожогов, отеков, вызванных циррозом печени и почечной патологией). У пациентов с указанными патологиями эффект увеличения диуреза в 1,5-3 раза после 4-6-часового иммерсионного воздействия СИ сохранялся в течение двух суток [122].

В 1990-х годах появились работы по применению СИ в лечении гипертонического криза [37, 47, 56]. Результаты этих работ выявили достоверный и стойкий гипотензивный эффект после 1,5 ч воздействия СИ.

В совместных российско-австрийских экспериментах показана большая диагностическая ценность метода СИ в раннем выявлении неврологических патологий, хорошо компенсированных в нормальных условиях. После 24, 48 и 72 ч СИ у большинства здоровых испытателей выявлялись различные отчетливые признаки неврологической патологии (такие как симптомы мозжечковой дезинтеграции, ухудшение функций периферических нервов, признаки поражения заднего тракта, а также пирамидной и экстрапирамидной системы) [132, 138]. Объяснением этого феномена может быть тот факт, что все люди имеют скрытые неврологические нарушения (врожденные либо приобретенные вследствие травм, инфекций и т.д.), однако такое свойство мозга, как высокая пластичность, обеспечивает компенсацию этих нарушений. Сенсорный конфликт, возникающий в СИ из-за изменения опорного и проприоцептивного афферентного притока, снимает компенсаторные механизмы, неэффективные в новых условиях, и позволяет выявить скрытые неврологические нарушения. Показана также эффективность СИ в восстановлении атлетов после тяжелых тренировок [97].

В то же время существуют и медицинские противопоказания к применению метода СИ, такие как инфаркт миокарда, выраженная аритмия сердечного ритма, хронические респираторные заболевания с декомпенсацией легочного сердца, тромбофлебит, выраженная одышка в покое [47], острые воспалительные процессы и генерализованные поражения кожных покровов [124] .

1.3 Функциональное состояние органов сердечно-сосудистой системы при эксперименте «сухой» иммерсии

сердечный сосудистый сухой иммерсия

В качестве экспериментальных моделей для воспроизведения физиологических эффектов невесомости в космической медицине широко используются «сухая» иммерсия и антиортостатическая гипокинезия (АНОГ). Они позволяют в земных условиях изучать реакции, близкие тем, которые могут возникнуть при действии невесомости [59, 68, 72, 94, 119].

В условиях «сухой» иммерсии [119] на человека действуют несколько факторов одновременно. Прежде всего, это снижение действия сил гравитации, вызывающее уменьшение деформации клеток, органов и тканей. Уменьшается гидростатическое давление крови, обеспечивается снятие опорных нагрузок, снимается нагрузка с костно-мышечной системы, что проявляется в изменении позы и тонуса мышц, уровня двигательной активности. Перераспределение жидких сред организма и изменение афферентных потоков обусловливают изменение функционального состояния органов ССС [68, 93, 119]. Согласно данным многочисленных исследований, показано, что под влиянием перераспределения гидростатического давления в модельных экспериментах происходит потеря воды организмом. При гипокинезии вступает в действие рефлекс Генри-Гауэра, согласно которому венозный приток крови к правому предсердию при переходе в горизонтальное положение рефлекторно вызывает изменения секреции антидиуретического гормона и альдостерона. Это приводит к уменьшению реабсорбции воды в почках и повышенному выведению Na+ [66, 71, 72,77, 89].

Отличием АНОГ от «сухой» иммерсии является неполное воспроизведение перераспределения крови, свойственного невесомости так как опора в этом случае не устраняется полностью, а перераспределяется на другие, более широкие, области тела - спину, бока и другие. В то же время, считается, что при длительном воздействии модель достаточно аккуратно воспроизводит эффекты длительных космических полетов практически во всех физиологических системах, включая, сердечно-сосудистую, скелетно-мышечный аппарат и системы двигательного регулирования [31, 119, 150]. В антиортостатическом положении происходит характерное для невесомости перераспределение крови в сосуды верхней половины тела, вызванное снижением гидростатического компонента кровяного давления, наблюдаются изменения противоположные тем, что отмечаются при ортостатическом положении [90]. В частности, было показано, что 8-часовая АНОГ вызывает увеличение кровенаполнения головы и груди на 6-9% (Р<0,05), по сравнению с исходным горизонтальным положением.

Дальнейшее пребывание в условиях АНОГ сопровождается развитием компенсаторно-приспособительных реакций, характеризующихся уменьшением общего объема циркулирующей плазмы, перемещением объемов крови от живота и нижних конечностей. Например, в эксперименте с воздействием 7-суточной АНОГ увеличение кровенаполнения верхних отделов туловища на 2-е и 7-е сутки составило 11 и 23% (р<0,05) соответственно [155].

В условиях антиортостатического положения многие исследователи наблюдали рефлекторное уменьшение общего периферического сопротивления сосудов и было показано, что системная вазодилятация всегда наступает в ответ на антиортостатическое воздействие. Причем, если при ортостатическом воздействии констрикторный тип сосудистых реакций определяется главным образом барорефлекторными влияниями, то для антиортостатического воздействия такой зависимости не обнаружено [90]. В работах К.Л. Гейхмана и М.Р. Могендовича показано, что в противоположность повышению рефлекторной активности симпатической системы при ортостазе, реактивная вазодилятация при антиортостатическом положении, обусловлена преобладанием парасимпатических влияний [25, 81]. Если при ортостазе растяжение вен ведет к уменьшению венозного возврата к сердцу по нижней полой вене и главным фактором, уменьшающим сердечный выброс, является депонирование крови в сосудах нижней части тела в объеме около 600 мл, то в случае антиортостаза имеет место противоположная картина: перераспределение крови в краниальном направлении, к голове и органам грудной клетки [175], что приводит к возрастанию сердечного выброса.

Считается, что именно при антиортостазе особенно сильно и полно выявляется влияние силы тяжести на центральные вегетативные функции организма. Антиортостаз, создавая более или менее выраженное затруднение кровообращения в верхней половине тела, особенно в головном мозге и легких, может не только помочь оценить функциональные возможности органов ССС, но и выявить скрытые патологические изменения в ней [36].

Положение тела головой вниз ведет также к увеличению кровенаполнения полостей сердца, об этом свидетельствует повышение давления в полостях сердца и в легочной артерии в исследованиях с использованием метода катетеризации сердца и магистральных сосудов в антиортостатическом положении тела [54].

Изменения функционального состояния органов ССС при гипокинезии обобщены в монографии Н.Е. Панферовой [92]. Результатом гипокинезии было значительное увеличение ЧСС и снижение пульсового давления, в основном за счет систолического АД, а также увеличение частоты возникновения коллапсов во время ортостатических проб [77, 90].

Сравнение эффектов воздействия на организм человека разных моделей показало, что «сухая» иммерсия является относительно более мощным воздействием, чем АНОГ (-8°) [66]. Как показали V. Bart, F. Beckers, К. Couckuyt, А. Aubert, исследовавшие состояние органов ССС, барорефлекторной регуляции сердечного ритма у здоровых молодых людей в условиях воздействия 1-часовой водной иммерсии, уже в первые минуты после начала иммерсионного воздействия отмечено снижение ЧСС и рост ударного объема. Ими установлено, что в течение первых 20 мин условия иммерсии привели к прогрессивному снижению среднего АД и общего сосудистого сопротивления по сравнению с фоновыми данными (р<0,05). По мнению указанных авторов, регуляция кровообращения при воздействии иммерсии является динамичным процессом, который стабилизируется после 20-минутного периода [131]. Ученый Кудрин К.А. исследовал изменения центральной гемодинамики человека в условиях воздействия 24-часовой «сухой» иммерсии. По его наблюдениям за 24 ч иммерсии не отмечалось достоверных изменений ЧСС и сердечного выброса в течение 3,5 ч после погружения, наблюдалось колебание регистрировавшихся показателей около величин, зафиксированных перед погружением. Некоторое увеличение минутного объема крови, как за счет ударного объема крови, так и за счет ЧСС, отмечалось только через 5,5 часов иммерсии. Однако, через 24 ч после погружения УО и МОК были ниже значений до иммерсионного воздействия, а ЧСС практически такой же, как в фоне. Через 24 ч после погружения у большинства обследуемых МОК оказался сниженным. По мнению автора, наблюдавшееся увеличение сердечного выброса в первые часы иммерсии связано с перераспределением крови в верхнюю половину тела, а его снижение через 1 сутки - с уменьшением центрального объема крови за счет включения «разгрузочных» рефлексов Парина и Генри-Гауэра. Показатели АД не претерпели существенных изменений. Отмечалось лишь некоторое снижение систолического АД на 5-10 мм рт. ст. в условиях иммерсии. Автором установлено, что изменения центральной гемодинамики при воздействии 24-часовой иммерсии имеют выраженный индивидуальный характер, как по направленности, так и по времени своего наступления, и отражают фазность процессов адаптации [68].

При исследовании длительного - 7-суточного воздействия «сухой» иммерсии X.X. Яруллиным и соавторами отмечены умеренные и обратимые изменения регионарной и центральной гемодинамики. Наиболее значительное перераспределение крови в краниальном направлении по их наблюдениям происходило на 3 и 5-е сутки «сухой» иммерсии. Это проявлялось в выраженном увеличении пульсового кровенаполнения головного мозга, легких и пальцев кисти. Благодаря компенсаторно-приспособительным реакциям к 5 суткам происходит перераспределение крови из головного мозга, легких и верхних конечностей в печень, что в ряде случаев приводило к увеличению ее объема. С депонированием крови в печени связано и снижение ударного объема сердца и МОК [18].

В работах Б.М. Федорова и З.А. Голубчиковой [108] рассмотрены некоторые особенности регуляции кровообращения при моделировании влияния на организм факторов полета с помощью длительной антиортостатической гипокинезии. В этих условиях, по мнению авторов, происходит разбалансированность системы регуляции кровообращения, изменяется эмоциональная реактивность организма к стрессирующим воздействиям. Особенно важно, что стрессы, вызывающие в обычных условиях умеренные изменения сердечного ритма и АД, в условиях продолжительной гипокинезии начинают вызывать значительно более выраженные изменения в виде гипертензии, экстрасистолии, тахикардии, аллоритмий, мерцательной аритмии предсердий.

Таким образом, несмотря на то, что к настоящему времени накоплен значительный материал по исследованию изменений реакций со стороны органов ССС как в космическом полете, так и при воздействии модельных экспериментов, воспроизводящих эффекты невесомости, нейрогуморальные механизмы регуляции кровообращения в модельных экспериментах, в частности, при длительной иммерсии мало изучены. Важность исследования регуляторных механизмов ССС состоит в том, что реакций органов ССС при воздействии указанных модельных экспериментов в значительной мере зависят как раз от регуляторных механизмов, которые обеспечивают настройку организма на новый уровень функционирования [30].

1.4 Анализ вариабельности сердечного ритма

В настоящее время наиболее информативным неинвазивным методом количественной оценки вегетативной регуляции сердечного ритма признан метод вариабельности сердечного ритма (ВСР) [3, 7].

Анализ ВСР является методом оценки состояния механизмов регуляции физиологических функций в организме человека, в частности, общей активности регуляторных механизмов, нейрогуморальной регуляции сердца, соотношения между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы. Текущая активность симпатического и парасимпатического отделов является результатом реакции многоконтурной и многоуровневой системы регуляции кровообращения, изменяющей во времени свои параметры для достижения оптимального приспособительного ответа, который отражает адаптационную реакцию целостного организма [10, 109]. Метод основан на распознавании и измерении временных интервалов между R-зубцами ЭКГ (R-R интервалы), построении динамических рядов кардиоинтервалов и последующего анализа полученных числовых рядов различными математическими методами.

Более детальный анализ ВСР с применением методов автокорреляционного и спектрального анализа привел к разработке подхода, основанного на положениях биологической кибернетики и теории функциональных систем. В основе этого подхода лежит представление о вариабельности ритма сердца как о результате влияния на систему кровообращения многочисленных регуляторных механизмов (нервных, гормональных, гуморальных).

Функциональная система регуляции кровообращения представляет собой многоконтурную, иерархически организованную систему, в которой доминирующая роль отдельных звеньев определяется текущими потребностями организма. Наиболее простая двухконтурная модель регуляции сердечного ритма основывается на кибернетическом подходе, при котором система регуляции синусового узла может быть представлена в виде двух взаимосвязанных уровней (контуров): центрального и автономного с прямой и обратной связью. При этом, воздействие автономного уровня (контура) идентифицируется с дыхательной, а центрального с недыхательной аритмией [8].

Рабочими структурами автономного контура регуляции являются: синусовый узел (СУ), блуждающие нервы и их ядра в продолговатом мозгу (контур парасимпатической регуляции). При этом дыхательная система рассматривается как элемент обратной связи в автономном контуре регуляции сердечного ритма (СР).

Деятельность центрального контура регуляции, который идентифицируется с симпатоадреналовыми влияниями на ритм сердца, связана с недыхательной синусовой аритмией (СА) и характеризуется различными медленноволновыми составляющими сердечного ритма. Прямая связь между центральным и автономным контурами осуществляется через нервные (в основном симпатические) и гуморальный связи. Обратная связь обеспечивается афферентной импульсацией с барорецепторов сердца и сосудов, хеморецепторов и обширных рецепторных зон различных органов и тканей.

Автономная регуляция в условиях покоя характеризуется наличием выраженной дыхательной аритмией. Дыхательные волны усиливаются во время сна, когда уменьшаются центральные влияния на автономный контур регуляции. Различные нагрузки на организм, требующие вовлечения в процесс управления СР центрального контура регуляции, ведут к ослаблению дыхательного компонента СА и к усилению ее недыхательного компонента [8].

Центральный контур регуляции СР - это сложнейшая многоуровневая система нейрогуморальной регуляции физиологических функций, которая включает многочисленные звенья от подкорковых центров продолговатого мозга до гипоталамо-гипофизарного уровня вегетативной регуляции и коры головного мозга. Ее структуру можно схематично представить состоящей из трех уровней. Этим уровням соответствуют не только анатомо-морфологические структуры мозга, но, и определенные функциональные системы или уровни регуляции.

Первый уровень обеспечивает организацию взаимодействия организма с внешней средой (адаптация организма к внешним воздействиям). К нему относится центральная нервная система, включая корковые механизмы регуляции, координирующая функциональную деятельность всех систем организма.

Второй уровень осуществляет равновесие различных систем организма между собой и обеспечивает межсистемный гомеостаз. Основную роль на этом уровне играют высшие вегетативные центры (в том числе гипоталамо-гипофизарная система), обеспечивающие гормонально-вегетативный гомеостаз.

Третий уровень обеспечивает внутрисистемный гемостаз в различных системах организма, в частности в кардиореспираторной системе. Здесь ведущую роль играют подкорковые нервные центры, в частности вазомоторный центр как часть подкоркового сердечно-сосудистого центра, оказывающего стимулирующее или угнетающее действие на сердце через волокна симпатических нервов [12, 163].

При оптимальном регулировании - управление происходит с минимальным участием высших уровней управления, с минимальной централизацией управления. При неоптимальном управлении -необходима активация все более высоких уровней управления. Это проявляется в виде ослабления дыхательной аритмии и усиления недыхательного компонента синусовой аритмии, появлением медленных волн все более высоких порядков. Чем более высокие уровни управления активируются, тем длиннее период соответствующих медленных волн сердечного ритма [2].

Структура сердечного ритма включает не только колебательные компоненты в виде дыхательных и недыхательных волн, но и непериодические процессы (так называемые фрактальные компоненты). Происхождение этих компонентов сердечного ритма связывают с многоуровневым и нелинейным характером процессов регуляции сердечного ритма и с наличием переходных процессов. Вариабельность сердечного ритма отражает сложную картину разнообразных управляющих влияний на систему кровообращения с нелинейным характером взаимодействия разных уровней управления.

Методы изучения вариабельности сердечного ритма можно условно разделить на три группы: методы статистической оценки числового массива кардиоинтервалов; методы оценки связи между кардиоинтервалами; методы выявления скрытой периодичности динамического ряда кардиоинтервалов. Согласно стандартам Европейского Кардиологического общества и Североамериканского общества электрофизиологии (Heart rate variability, 1996) выделяют две группы методов - временные (Time Domain Methods) и частотные (Frequency Domain Methods). К временным методам относятся статистический анализ и геометрические методы, к частотным -спектральный анализ [7, 139].

Статистический метод основан на оценке различных характеристик интервалов R-R, геометрический - на изучении формы и параметров гистограммы распределения интервалов RR за исследуемый промежуток времени [10].

Связь между автономным и центральным контурами управления хорошо выявляется с помощью автокорреляционной функции. Автокорреляционная функция представляет собой график динамики коэффициентов корреляции, получаемых при последовательном смещении анализируемого динамического ряда на одно число по отношению к своему собственному ряду. Это качественный анализ, по данным которого можно судить о влиянии на автономную систему сердца центрального звена.

Другой формой графического представления RR-интервалов является скатерограмма, отражающая их последовательные пары (троек - предыдущего, текущего и последующего) в двухмерной плоскости. При этом по оси абсцисс откладывается величина R-Rn, а по оси ординат - величина R-Rn+1. Область точек на скатерограмме носит название пятен Пуанкаре или Лоренца. Обычно скатерограмма имеет форму эллипса, вытянутого вдоль биссектрисы, и является результатом деятельности дыхательной и недыхательной синусовой аритмии. Распределение от центра до начала осей координат соответствует наиболее ожидаемой длительности сердечного цикла (Mo). Величина отклонения точки от биссектрисы влево показывает, насколько сердечный цикл короче и вправо - длиннее предыдущего. По скатерограмме вычисляют длину (эквивалент SDNN) и ширину основного (без экстрасистол и артефактов) «облака» (перпендикуляр к длинной оси, проведенный через ее середину), а также ее площадь (по формуле площади эллипса). Этот способ оценки вариабельности сердечного ритма относится к методам нелинейного анализа и является особенно полезным для случаев, когда на фоне монотонности сердечного ритма встречаются редкие и внезапные нарушения (эктопические сокращения) и (или) выпадения отдельных мышечных сокращений.

Для выявления и оценки периодических составляющих сердечного ритма более эффективен спектральный анализ. Спектр сердечного ритма представляет собой зависимость мощности колебаний от частоты колебаний. Пики на скатерограмме соответствуют дыхательным волнам, медленным волнам I порядка, медленным волнам II порядка. В зависимости от выраженности дыхательных и недыхательных периодических компонентов соответственно изменяется и характер спектра.

1.5 Дисперсионное картирование ЭКГ

Среди новых методов, которые в настоящее время все шире используются в научных исследованиях и повседневной клинической практике для оценки нарушений электрических свойств миокарда, можно отметить ЭКГ высокого разрешения, анализ различных фрагментов ЭКГ сигнала на основании принципа анализа "от цикла к циклу" («beat-to-beat»), дисперсионные характеристики Т зубца - TWA (T-Wave Alternans) и другие показатели дисперсии и альтернации, преобразование WT ("wavelet transformation -WT") и спектрально-временной анализ [45, 104].

Отдельные показатели ЭКГ высокого разрешения, параметры их альтернации и дисперсии, спектральных составляющих и другие характеристики, получаемые на основе анализа усредненного ЭКГ-сигнала, используются для диагностики нарушений электрофизиологических свойств миокарда.

Метод дисперсионного картирования (ДК) ЭКГ появился недавно и активно изучается. Показано, что в настоящее время он может использоваться в качестве тестирования при скрининге [103]. Методика дисперсионного анализа электрокардиограммы и прибор "Кардиовизор-06с" реализует новую технологию анализа ЭКГ-сигнала, базирующуюся на оценке существующих в норме и патологии низкоамплитудных (10-30 мкВ) колебаний (дисперсий) сигнала от цикла к циклу, которые можно выявить на всем протяжении кардиоцикла (P-QRS-Т) и затем использовать для оценки электрофизиологического состояния миокарда. Полученные результаты анализа дисперсий колебаний амплитуд де- и реполяризации предсердий и желудочков отображаются на поверхности квазиэпикарда с использованием предложенной авторами новой электродинамической модели миокарда [44, 46].

Подтверждением обоснованности использования анализа низкоамплитудных колебаний являются многочисленные исследования дисперсии длительности и амплитуд Р-зубца, QRS-комплекса, зубца Т, интервала QT по данным стандартной ЭКГ и ортогональных отведений. Близкие подходы применяются при исследовании альтернации зубца Т по принципу "beat-to-beat" анализа. Это обусловлено большой ролью данного феномена в оценке реполяризационных нарушений и использовании его в качестве прогностического маркера желудочной тахикардии при изучении аритмогенеза желудочков. Однако несмотря на широкий интерес к этим исследованиям к сожалению практически отсутствуют работы, анализирующие дисперсию амплитудных и интегральных де- и реполяризационных показателей [43].

Таким образом, актуально комплексное изучение клинической значимости показателей дисперсии ЭКГ-сигнала, сигнал-усредненной ЭКГ и параметров, характеризующих свободнорадикальные процессы, отражающих прогрессирование мембранно-клеточных нарушений и электрофизиологических свойств миокарда у больных ишемической болезнью сердца (ИБС) для выделения пациентов с неблагоприятным прогнозом [44, 83, 99].

1.6 Основные понятия о болевым синдроме в спине во время космического полета

Боль в пояснице, которую испытывают космонавты в условиях микрогравитации является одной из самых распространенных проблем космической медицины [172, 175]. Она снижает умственную концентрацию, нарушает спокойный сон и часто воспринимается, как совершенно неожданный стресс. Боль в пояснице может являться пусковым механизмом в развитии сердечно-сосудистых и других расстройств у космонавтов. Из всех возможных структур позвоночника, которые потенциально могут быть источником боли в пояснице, считается, что межпозвонковый диск поясничного отдела, скорее всего, является причиной и играет основную роль в патофизиологии болевого синдрома [164].

Анализ данных ретроспективного исследования с использованием медицинских записей полученных у 58 космонавтов из авиационной медицинской клиники в Космическом центре имени Джонсона НАСА свидетельствует, что 68% космонавтов сообщали о болевых ощущениях в спине во время короткого по продолжительности космического полета [181]. Астронавты оценивали боли следующим образом: максимальная боль с 1 до 6 суток при воздействии микрогравитации; основная локализация в поясничном отделе позвоночника; характер и длительность боли не имеет четкой связи с возрастом и опытом [181].

Клетки опорно-двигательного аппарата в нормальных условиях на Земле хорошо адаптированы к выполнению «несущих» функций и мышечного сокращения, чтобы сориентировать тело в вертикальном положении. Позвоночник, который подвергается непрерывной микрогравитации в условиях КП может удлиниться на 4-6 см [135, 172]. Это изменение длины, как правило связаны с увеличением высоты диска из-за увеличения объема жидкости, а также уменьшением кривизны грудного и поясничного отделов позвоночника [145, 154, 172]. В условиях микрогравитации таким образом, очевидно происходит снижение биомеханических процессов расходования энергии, совпадающее с существенным сокращением «несущих» функций и типичных мышечных реакций, поддерживающих позвоночник. Конечный результат, скорее всего, гипотрофия клеток, составляющих основу опорно-двигательного аппарата, в том числе и диска, а также изменения процессов гидродинамики жидкости[164]. Скорее всего происходит закономерная адаптация к длительной микрогравитации, но которая становится препятствием для реадаптации после возвращения на Землю.

Жидкости, протеогликаны, и гликозаминогликаны являются биохимическим содержимым межпозвонковых дисков, а хрящевые клетки, фибробласты и коллагеновые волокна составляют гистологическое содержание. Эти компоненты в разных пропорциях являются содержанием внутреннего пульпозного ядра и внешнего фиброзного кольца, в том числе верхней и нижней позвонковых пластинок диска. Протеогликан имеет высокий электроотрицательный заряд и, как следствие, имеет высокое давление набухания, которое сопротивляется сжимающей нагрузке на позвоночник. Гидродинамические процессы жидкости нормального диска, приток и отток питательных веществ происходит по двум процессам: конвекция и диффузия [143]. Конвекция, особенно для макромолекул, является более быстрым транспортом и предполагает массового расхода через пористую среду, такие как интерстиций и межпозвонковых пластин из-за градиента гидростатического давления и достаточно большего канала. Диффузия, которая зависит от температуры, является тенденцией растворенного вещества, чтобы достигнуть равномерного распределения в присутствии градиента концентрации. Когда позвоночник разгружается, транспорт жидкости в диски происходит посредством сил отталкивания [142]. Таким образом, впитывание жидкости возникает, когда отрицательно заряженный протеогликан макромолекулов в пульпозных ядрах отталкиваются друг от друга, вызывая приток жидкости [164].

Весовая нагрузка и деятельность деформируют межпозвонковые диски и облегчают транспортировку жидкости и питательных веществ, необходимых для жизнеспособности тканей [143]. Нагрузка на позвоночник в условий 1G приводит к оттоку 25% выжатой жидкости диска (конвекции) и вновь всасыванию (диффузии) при выгрузке в каждом суточном цикле на Земле [167]. Поэтому, прерывистая механическая сила на увеличение и уменьшение внутридискового давления циклически облегчает транспортировку питательных веществ, воды и отходов внутрь и наружу пульпозного ядра. Величина изменения объема жидкости диска в условиях микрогравитации в настоящее время неизвестны, поскольку обычная нагрузка на диск снижается с последующим уменьшением оттока жидкости и относительно увеличением притока жидкости в результате в расширении диска [164].

На земле, этиология боли в спине можно в общих чертах классифицироваться как висцеральная, не механическая и механическая (связанная с поясничными дисками) [164]. Но, точная причина боли в пояснице в условиях микрогравитации в настоящее время неизвестна. Разгрузка в условиях микрогравитации вызывает позвоночнику удлиняться за пределы измерений в 1G из-за пульпозного ядра, увеличивая его объем путем увеличение притока жидкости, чем отток [164].

Астронавты утверждают, что “положение сгибания плода” описанное, как положение сгибания позвоночника или колени к груди, снимает боль в пояснице [175, 181]. Кроме того, другие методы сообщены космонавтами, чтобы облегчить боль в пояснице, включают растяжения, принимать ацетаминофен, упражнение на беговой дорожке и умышленную компрессию позвоночника [181].

В биомеханике, сгибание позвоночника двигает мгновенную ось вращения от центра к переднему поясничному диску, производя компрессионную нагрузку через сокращение мышцы разгибатели позвоночника (при отсутствии гравитационного нагрузки). В то же время, происходит растяжение связочного аппарата мягких тканей и нервных структур, которое может привести к дополнительной компрессивной нагрузке на позвоночник [180].

Биомеханический механизм облегчения боли в пояснице с использованием положение сгибания плода может быть из-за компрессии поясничного диска, который, в свою очередь, восстанавливает гидростатическое давление, облегчает отток жидкости диска через конвекцию, уменьшает объем жидкости диска и уменьшает деформацию фиброзного кольца и стимуляцию синувертебрального нерва. Нейрофизиологический механизм облегчения боли в пояснице в стороне от снижения стимуляции синувертебрального нерва может быть из-за механического растяжения задней мягких тканей включая капсулы фасеточного сустава и связки, который стимулирует I тип и II тип механорецепторов [164].

Чем дольше воздействия микрогравитации без нормальной 1G напряжений, тем более вероятно, что гипотрофия фиброзного кольца или дегенерация как пульпозного ядра набухает, диск расширяется и адаптируется к аномально низкой нагрузке. Жесткость диска может быть потеряна и может причинить боль, деформацию диска и риск неврологических расстройств. Для решения проблемы боли в пояснице в космосе принимаются ацетаминофен, аспирин и ибупрофен [181].

Нагрузка во время микрогравитации с помощью упражнений, сочетанных с осевым сжатием позвоночника может уменьшить расширения диска и последующую боль. Нагрузка с использованием упругих бандажи, шнуров, прикрутивших космонавтов к беговой дорожке позволяют производить 60-70% от земных нагрузок [179]. Перспективный альтернативный бандажи, шнуры могут быть использованы на беговой дорожке в устройстве отрицательного давления нижней части тела (ОДНТ) [136]. Беговая дорожка с ОДНТ все еще нуждается в реконструкции для космических полетов и жизнедеятельности экипажа. Компрессионное белье, которая называется костюмом «пингвин» было использовано российской космической программой, что позволяет уменьшить боли в спине у космонавтов благодаря физиологической нагрузке на позвоночник [164].

Рекомендации для будущих исследований будут зависеть от точки зрения логики, с точки зрения применения и аппроксимации определенных условиях нагрузки на позвоночник включая циклические колебания гидростатического давления поясничного диска. Дальнейшие исследования должны включать: упражнения конкретных мышц в определенных условиях и оборудование для позвоночника до полета, в полете и после полета для обеспечения нормальной физиологической нагрузки диска и компрессии; компрессия позвоночника костюмом «пингвин» или другим устройством для удобной, но и высокой спинной нагрузки; повторяющееся вращение позвоночника [164].

Таким образом, болевой синдром в позвоночнике возникает у большинства космонавтов и может затруднять программу полета. Связь возникновения болевого синдрома с высотой межпозвонковых дисков недостаточно исследована. Самостоятельное значение имеет оценка болевого синдрома в клинических условиях при заболеваниях позвоночника. Поиск закономерности, объясняющей изменения органов сердечно-сосудистой системы при заболеваниях позвоночника также нерешенная задача. Решению этих дисскусионных и задач космической медицины посвящено настоящее исследование.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Общая характеристика обследованных лиц

Для решения поставленных задач были выполнены несколько серий экспериментов, в первых двух исследуемые участвовали в 3- и 5-суточной «сухой» иммерсии по методике разработанной на базе ГНЦ РФ-ИМБП РАН (с участием 19 здоровых мужчин-добровольцев) (табл.1). В 5-суточной иммерсии использовали в качестве профилактического средства костюм с осевой нагрузкой «Пингвин». Все добровольцы были допущены врачебно-экспертной комиссией к проведению испытаний. Предварительно процедуры и методики исследований были рассмотрены Комиссией по биомедицинской этике, а от испытателей, принимавших участие в исследовании, получено письменное информированное согласие.

Таблица 1

Контингент исследуемых

В эксперименте 3-суточной «сухой» иммерсии принимали участие 13 мужчин в возрасте от 19 до 26 лет. Исследования проводились до начала воздействия, на 2-е сутки, 3-е сутки воздействия и после его окончания (первая серия исследования).

По программе 5-суточной «сухой» иммерсии исследовано 6 чел. Их возраст совпадал с испытателями 3-х суточной иммерсии (средний возраст 21±3,5). Исследование проводили до эксперимента, на 2-е, 3-е, 5-е сутки, после окончания эксперимента (вторая серия исследования).

Следующие две серии исследований, которые выполнялись в Центральной клинической больнице российской академии наук (ЦКБ РАН) (г. Москва) имели своей целью сопоставления экспериментальных и клинических данных. Изучалось влияние боли в спине на работу сердца при лечении методом радиочастотный денервации (РЧД) межпозвонковых суставов. Обследование проводилось в отделении вертебрологии ЦКБ РАН у 27 пациентов с распространенным остеохондрозом шейного или поясничного отдела позвоночника. Средняя продолжительность заболевания - около 5 лет. В данном исследовании мы оценивали эффективность лечения методом РЧД у 13 пациентов (4 мужчини 9 женщин) в возрасте от 21 до 69 лет (средний возраст - 51,1 года). При определении показаний к проведению РЧД учитывались данные методов нейро-визуализации (рентгенографии, магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии), а также результаты диагностической блокады межпозвонковых суставов в области пораженного сегмента, включая смежные -- выше- и нижележащие межпозвонковые суставы. Регресс боли после проведения блокады служил индикатором целесообразности проведения РЧД. Клинические показатели больных до лечения сравнивались с данными контрольной группы. В эту группу входило 14 чел (6 мужчин и 8 женщин) в возрасте от 27 до 74 лет. Все обследуемые контрольной группы не имели каких-либо заболеваний органов сердечно-сосудистой системы и позвоночника.

В четвертую серию исследований дополнительно включены 18 практически здоровых лиц. Они были включены в исследование сократительной функции мышцы сердца, вместе с группой больных третьей серии - всего 45 чел (23 мужчин и 22 женщин).

2.2 Методы обследования

Методы исследования, использованные в диссертации, представлены в таблице 2. Основный методический подход в нашей работе - использование «сухой» иммерсии как методика моделирующая условия невесомости, так и диагностического теста для оценки функциональных показателей сердечно-сосудистой системы испытателей.

Таблица 2

Методы исследования

«Сухая» иммерсия. В качестве экспериментальной модели для имитации физиологических эффектов микрогравитации использовали модель «сухой» иммерсии, по условиям которой испытатели погружаются в воду (температура воды поддерживается постоянной в пределах 33-34? и является комфортной для испытателей). Длительность иммерсии составила 3-е суток (72 ч) и 5-ть суток (120 ч). Режим дня для участников был стандартным, включал 3-разовое питание, 8-часовой сон и процедуры, определенные программами научных исследований. На всем протяжении эксперимента испытатели-добровольцы находились в иммерсионной ванне, за исключением времени на проведение плановых обследований и выполнение гигиенических процедур, что составляло не более 1 ч в сутки (рис. 1).

Рис.1. «Сухая» иммерсия по методике И.Б. Козловской, А.И. Григорьева

Таблица 3

Модель невесомости

Анализ вариабельности сердечного ритма. Проводилась оценка вариабельности сердечного ритма и для анализа использовался аппаратно-программный комплекс «Кардиовизор-06с». Исследование проводилось до начала эксперимента за 7 дней и на 2, 3-е сутки иммерсии и на 1-е сутки после окончания воздействия в стандартных условиях. Для оценки ВСР использовались 5-минутные записи R-R интервалов синусового ритма.

При временном анализе ВСР применялись стандартное отклонение всех NN интервалов от средней длительности (SDNN), процент NN50 от общего за весь период записи числа последовательных пар интервалов, различающихся более чем на 50 мс (pNN50), стресс индекс (SI) и квадратный корень среднего значения квадратов разностей длительностей последовательных N-N интервалов (RMSSD, мс). При спектральном анализе ВСР оценивали суммарную мощность спектра (TP, мc2), низкочастотную (LF: диапазон 0,04-0,15 Гц) и высокочастотную (HF: диапазон 0,15-0,40 Гц) мощности спектра, а также их соотношение (LF/HF). Для анализа использовались только кардиосигналы синусового происхождения, экстрасистолы интерполировались, артефакты удалялись.

Различают методы временного и частотного анализа. К первым относятся преимущественно статистические методы, ко вторым - спектральные.

Показатели статистического анализа:

1) Среднее квадратичное отклонение (СКО, SDNN). Вычисление SDNN является наиболее простой процедурой статистического анализа ВСР. Значение SDNN выражаются в миллисекундах. Нормальные значения SDNN находятся в пределах 40-80 мс. Рост или уменьшение SDNN могут быть связаны как с автономным контуром регуляции, так и с центральным (как с симпатическими, так и с парасимпатическими влияниями на ритм сердца). Как правило, рост SDNN указывает на усиление автономной регуляции, что чаще всего наблюдается во сне.

2) RMSSD - показатель активности парасимпатического звена регуляции. Он вычисляется по динамическому ряду разности значений последовательных пар кардиоинтервалов и не содержит медленноволновых составляющих СР. Показатель отражает активность автономного контура регуляции. Чем выше RMSSD, тем активнее звено парасимпатической регуляции. В норме значение этого показателя находятся в пределах 20-50 мс.

Показатели спектрального анализа:

1) HF (High Frequency) - мощность высокочастотной составляющей спектра (дыхательные волны) характеризует активность парасимпатического звена вегетативной нервной системы, активность автономного контура регуляции, за который ответственен парасимпатический отдел. Мощность дыхательных волн выражается в абсолютных значениях (в секундах или миллисекундах) или в виде относительной величины (в процентах от суммарной мощности спектра).

2) LF (Low Frequency) - мощность низкочастотной составляющей спектра (медленные волны 1-го порядка, или вазомоторный волны). Этот показатель характеризует преимущественно состояние симпатического центра регуляции сосудистого тонуса.

3) VLF (Very Low Frequency) - мощность спектра «сверх» низкочастотной составляющей (медленные волны 2-го порядка). Спектральная составляющая сердечного ритма в диапазоне VLF, по современным представлениям, обусловлена влиянием на ритм сердца надсегментарного уровня регуляции, поскольку амплитуда этих волн тесно связана с психоэмоциональным напряжением и функциональным состоянием коры.

Аппаратно-программный комплекс «Кардиовизор-06с» реализует все названные методы анализа. Кроме того, программные средства «Кардиовизор-06с» обеспечивают проведение комплексного анализа вариабельности ритма сердца, не имеющего до настоящего времени аналогов в мировой практике. При этом по определенному набору показателей формируется заключение о степени напряжения регуляторных систем (показатель активности регуляторных систем - ПАРС) [9].

Дисперсионное картирование ЭКГ. Дисперсионное картирование ЭКГ (ДК ЭКГ) является одним из основных методов, используемых в клинике для раннего выявления электрофизиологических изменений в миокарде.

Метод ДК ЭКГ появился недавно и активно изучается. В настоящее время он может использоваться в качестве тестирования при скрининге. Методика дисперсионного анализа электрокардиограммы и прибор "КардиоВизор-06СИ" реализует новую технологию анализа ЭКГ-сигнала, базирующуюся на оценке существующих в норме и патологии низкоамплитудных (10-30 мкВ) колебаний (дисперсий) сигнала от цикла к циклу, которые можно выявить на всем протяжении кардиоцикла (P-QRS-Т) и затем использовать для оценки электрофизиологического состояния миокарда. Для выявления микроколебаний синхронизируют несколько последовательных циклов (рис. 5) в каждом из 6 отведений от конечностей (I, II, III, aVL, aVR, aVF) и получают сигналы низкоамплитудных флюктуаций комплекса QRST в каждый момент времени регистрации [43].

Рис. 5. Исходная ЭКГ и соответствующие ей интервалы расчета амплитуд микроколебаний ЭКГ-сигнала по группам G1-G9

Дисперсионные характеристики в программе рассчитываются по девяти анализируемым группам отклонений. В группах G1-G7 анализируются дисперсии, отражающие степень выраженности и локализацию электрофизиологических нарушений в миокарде предсердий и желудочков в фазах де- и реполяризации. Разграничение нормы и патологии разработчиками прибора было проведено на основе стандартной процедуры обучения автоматического классификатора на группе здоровых лиц и больных с верифицированными клиническими диагнозами, которые включают гипертоническую болезнь, различные формы ИБС, пороки сердца и др. В результате для каждой из групп G1-G9 были разработаны границы нормы для дисперсий Р-зубца, QRS комплекса и Т зубца [45].

Нормальный ритм сердца обеспечивается повторяющимися циклическими изменениями трансмембранного потенциала клеток миокарда, в основе которого лежит работа Na-K насоса. Метод дисперсионного картирования способствуют раннему выявлению электрической нестабильности миокарда, что важно у бессимптомных пациентов с различными структурными изменениями сердечной мышцы [99].

Подтверждением обоснованности использования анализа низкоамплитудных колебаний являются многочисленные исследования дисперсии длительности и амплитуд Р-зубца, QRS-комплекса, зубца Т, интервала QT по данным стандартной ЭКГ и ортогональных отведений. Близкие подходы применяются при исследовании альтернации зубца Т по принципу "beat-to-beat" анализа. Это обусловлено большой ролью данного феномена в оценке реполяризационных нарушений и использовании его в качестве прогностического маркера ЖТ при изучении аритмогенеза желудочков.

Суммарная величина площади всех групп (G1-G9) дисперсионных отклонений отображается интегральным показателем, получившим название «миокард», который изменяется в диапазоне от 0 до 100%, как показатель величины отклонения от нормы. Показатель «миокард» равный 0%, соответствует полному отсутствию каких - либо значимых отклонений, т.е. положению всех дисперсионных линий внутри границ нормы. Чем больше значение индикатора, тем больше отклонение от нормы. Показатель «миокард» определяет отклонения во всех группах дисперсионных характеристик [45, 103].

При значении показателя «миокард» менее 15 % говорят о норме, при разбросе значений от 15% до 25 % - о вероятностной патологии сердца и необходимости комплексного дифференциально-диагностического обследования, а при значении более 25 % - о патологии сердца и обязательном специальном обследовании [46, 104].

Таблица 4

Значения индекса «миокард», используемого программой при классификации состояния и для формирования цвета портрета сердца (Иванов Г.Г., Сула А.С, 2009).

Полученные цифровые массивы флюктуации пропускают через специальный модуль усиления слабых сигналов. На выходе модуля формируется поверхностная карта электрических флюктуаций, которая по определенному алгоритму проецируется на эпикардиальную поверхность компьютерной трехмерной анатомической модели сердца. В итоге на экране возникает цифровая модель электрических флюктуаций, которую разработчики прибора назвали «портретом сердца».

Портрет здорового сердца имеет ровную зеленую окраску. При возникновении изменений флюктуации соответствующая часть портрета сердца меняет цвет от зеленого до красного, в зависимости от выраженности этих изменений (рис. 6). Цвет на «портрете сердца» реагирует на малейшие изменения электрической нестабильности миокарда. По мнению авторов методики, «портрет сердца» является косвенным интегральным индикатором изменений электрических характеристик ионных каналов кардиомиоцитов. Изменения «портрета сердца» отражают электролитные, метаболические изменения миокарда, то есть дают, информацию о текущем состоянии миокарда и его динамике» [45].

При различных отклонениях от нормы цвет в области сердца изменяется до желтого или красного (рис. 6). Чем больше площадь этих областей, тем больше отклонение от нормы [23, 31].

Рис. 6.«Портрет сердца» здорового и больного с инфарктом миокарда

«Портрет сердца» формируется в двух видах: со стороны правого предсердия и правого желудочка, а также со стороны левого предсердия и левого желудочка. Эти два вида не соответствуют естественному анатомическому положению сердца в грудной клетке. «Портрет сердца» в области желудочков отражает интегральную картину дисперсионных изменений, рассчитанную как для деполяризации, так и реполяризации миокарда. Дисперсионные изменения на портрете сердца в области предсердий соответствуют только фазе деполяризации. Цвет «портрета» изменяется как при отклонениях амплитудных дисперсионных характеристик, так и при запаздывании или опережении дисперсионных характеристик, коррелирующих с величинами интервалов P-Q, Q-T, QRS. При различных отклонениях от нормы цвет в области сердца изменяется до желтого или красного [43].

Отдельные показатели ЭКГ высокого разрешения, параметры и их характеристики, получаемые на основе анализа усредненного ЭКГ-сигнала, используются для диагностики нарушений электрофизиологических свойств миокарда.

Еще одним важным показателем, оценивающимся прибором Кардиовизор, является индикатор «ритм». Если пациент здоров и симпатические и парасимпатические влияния на ритм оптимально сбалансированы, то индикатор «ритм» устойчиво находится в диапазоне 0%-20%. При высоком стрессе или выраженной аритмии этот показатель будет в диапазоне более 70%. Если повышенные значения индикатора «ритм» одновременно сочетаются с выраженным уменьшением ВСР и это стабильно повторяется - это признак неблагоприятного прогноза [104].