Материалы и методы исследования космонавтов

Для исследования воздействий возмущений геомагнитного поля на функциональное состояние космонавтов во время полета в космосе применялся специальный подход, основанный на математическом анализе сердечного ритма. Этот подход позволяет получать статистически сопоставимые данные о вегетативной регуляции кровообращения, и используются как в наземных условиях, так и в космосе (Р.М.Баевский, 1979, 1983, 1995; Р. М Баевский, О. И Кириллов, С. З. Клецкин, 1984; Р. М. Баевский, А. Д. Егоров, 1984). Математический анализ сердечного ритма применяется в космической медицине с ее первых шагов. Первые результаты были получены еще во время полетов животных на искусственных спутниках Земли и первых полетов человека на кораблях «Восток». К настоящему времени накоплен обширный банк данных, который может стать источником ретроспективного анализа. Вместе с тем существует обширная литература об опыте использования математического анализа ритма сердца и его вариабельности в клинике и прикладной физиологии, в профилактической медицине (Р.М.Баевский, 1979; Р. М. Баевский, О. И. Кириллов, С. З. Клецкин, 1984; О. Г. Газенко, Р. М. Баевский с соавт., 1988). Это позволяет с достаточной объективностью обсуждать получаемые результаты с учетом опыта других исследователей.

Материалы исследований космонавтов Было проведено четыре серии аналитических исследований, в которых использовались информационные массивы RR-интервалов электрокардиограммы, полученные в условиях космического полета.

В первой серии исследований были использованы материалы банка данных по начальным этапам космических полетов экипажей транспортных кораблей (ТК) «Союз» за 1990 -1995 гг.

Во второй серии исследований для анализа были использованы данные Холтеровского мониторирования (запись ЭКГ в течение суток) у членов экипажа ЭО-21 на орбитальной станции «Мир», полученные на 30−32 сутки полета (21−23 марта 1996 г.).

В третьей серии анализировались данные о влиянии геомагнитных возмущений на функциональное состояние космонавтов на 6-м месяце полета.

Четвертая серия исследований относилась к заключительной фазе космического полета — возвращению на Землю. Для анализа были отобраны суточные массивы кардиоинтервалов, полученные в день посадки у 6 членов экипажа Методика исследований Изменения ритма сердца — универсальная оперативная реакция целостного организма в ответ на любое воздействие факторов внешней среды. Однако традиционно измеряемая средняя частота пульса отражает лишь конечный эффект многочисленных регуляторных влияний на аппарат кровообращения и характеризует особенности уже сложившегося гомеостатического механизма. Одна из важных задач этого механизма состоит в том, чтобы обеспечить баланс между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы (вегетативный гомеостаз). Одной и той же частоте пульса могут соответствовать различные комбинации активностей звеньев системы, управляющей вегетативным гомеостазом. Кроме того, на ритм сердца оказывают влияние и более высокие уровни регуляции. Это дает основание рассматривать синусовый узел как чувствительный индикатор адаптационных реакций организма в процессе его приспособления к условиям окружающей среды.

Благодаря успехам космической медицины использование сердечно-сосудистой системы в качестве индикатора адаптационных реакций всего организма в настоящее время считается вполне обоснованным и, в частности, все более широкое распространение получают методы математического анализа ритма сердца, разработанные более 30 лет назад в рамках космической кардиологии (В.В.Парин, Р. М. Баевский, Ю. Н. Волков, О. Г. Газенко, 1967). Основная информация о состоянии систем, регулирующих ритм сердца, заключена в «функции разброса» длительностей кардиоинтервалов. Синусовая аритмия отражает сложные процессы взаимодействия различных контуров регуляции сердечного ритма.

Периодические колебания частоты сердечных сокращений, не вызванные нарушением функции автоматизма, проводимости и возбудимости, получили название «синусовой аритмии», открытой в прошлом веке (Ludwig, 1847).

В настоящее время известно несколько составляющих ритма сердца: дыхательная, или синусовая аритмия, медленные и сверхмедленные волны недыхательного генеза с различными периодами (от 10 секунд до нескольких десятков минут).

Пока еще нет единого мнения о происхождении дыхательной аритмии, хотя большинство исследователей считают неоспоримым фактом влияние дыхания на ритм сердца. Представляется установленным также активное участие в этом процессе ядер блуждающих нервов, торможение и возбуждение которых передается к синусовому узлу через соответствующие нервные окончания, вызывая укорочение продолжительности кардиоинтервалов на вдохе и удлинение на выдохе (Ludwig, 1847; Л. И. Фогельсон, 1951; М. А. Эплер, П. О. Кингесепп, 1968).

Недыхательная синусовая аритмия представляет собой колебания сердечного ритма с периодами выше 10 секунд. Медленные (недыхательные) колебания сердечного ритма коррелируют с аналогичными волнами артериального давления и плетизмограммы. Различают медленные волны 1-го, 2-го и более высоких порядков.

Таблица 1 Классификация периодических составляющих сердечного ритма (Стандарт Европейского кардиологического общества и Северо-американского общества по электрофизиологии, 1996).

Существующий уровень знаний не позволяет достаточно точно указать источник происхождения каждого из видов медленных волн. Sayers (Sayers, 1973) считает, что медленные волны сердечного ритма первого порядка связаны с деятельностью системы регуляции артериального давления, а волны второго порядка — с системой терморегуляции. Предполагается, что колебания с периодом более 20 секунд определяются механическими характеристиками гладких мышц сосудов. Подчеркивается нелинейность этой механической системы и возможность интерференции медленных колебаний с дыхательными, особенно при большой глубине дыхания, в частности, при умственной и физической нагрузках.

Навакатикян А.О. с соавторами (А.О. Навакатикян, В. В. Кржановская, 1979) выявил связь медленных волн сердечного ритма с колебаниями содержания в крови катехоламинов и кортикостероидов. Отмечена связь между медленными волнами сердечного ритма и активностью системы гипофиз-надпочечники (А.В.Карпенко, 1977; А. О. Навакатикян, В. В. Кржановская, 1979).

В опубликованных недавно стандартах измерения вариабельности сердечного ритма (Европейское Кардиологическое общество и Североамериканское общество по электрофизиологии, Circulation, 1996;93:1043−1065) предлагается следующая классификация периодических составляющих сердечного ритма, представленная в Таблица 1.

Показано, что у спортсменов с низким уровнем работоспособности, как и у нетренированных лиц, существенно чаще наблюдается выраженное увеличение ЧСС и появление медленноволновой периодики. А Кепеженас и Д. Жемайтите (1983) показали, что при длительных физических нагрузках и при снижении тренированности спортсменов происходит изменение типа ритмограммы. Наблюдается переход от ритмограмм парасимпатико-тонического типа с медленным ритмом и с большой амплитудой дыхательных волн к тем типам ритмограмм, которые отражают снижение парасимпатических влияний на функцию синусового узла, и далее к появлению ритмограмм с преобладанием медленных волн. Другими словами, ритмограмма отражает соотношение симпатического воздействия на периодическую структуру сердечного ритма (Р.М.Баевский, 1976; Д. Жемайтите, 1972).

Выделяются три группы методов, направленные, соответственно, на исследование средней частоты пульса, его вариабельности и переходных процессов. Центральное место в этой классификации занимают методы изучения вариабельности сердечного ритма. Эти методы можно условно разделить на три группы:

методы оценки общих статистических характеристик;

методы оценки связи между кардиоинтервалами;

методы выявления скрытой периодичности динамического ряда кардиоинтервалов.

Методы оценки общих статистических характеристик динамического ряда кардиоинтервалов включают вычисления математического ожидания (М) и частоты сердечных сокращений (ЧССHR-Heart Rate), среднего квадратического отклонения (SDNN), коэффициента вариации (CV) и показателей вариационной пульсометрии (мода — Мо, амплитуда моды — АМо и вариационный размах — VR). Вариационной пульсометрией называют метод анализа вариабельности сердечного ритма, основанный на использовании данных о распределении кардиоинтервалов по выбранным диапазонам значений. Нами была принята градация диапазонов распределения через 50 миллисекунд (0,05 с.). По данным вариационной пульсометрии вычисляется ряд производных показателей. Наиболее информативным является индекс напряжения регуляторных систем (Stress Index-SI). Этот показатель вычисляется по формуле SI=AMo/2Mo*VR. Индекс напряжения отражает степень централизации управления ритмом сердца и характеризует cуммарную активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. К числу статистических оценок, принятых западными исследователями относится RMSSD (Root Mean of the Sum of the Square of Differences). Этот показатель вычисляется по значениям разностей между последовательными кардиоинтервалами. Из суммы квадратов разностей извлекается квадратный корень и делится на число проанализированных кардиоинтервалов. При таком способе анализа выделяются преимущественно изменения, связанные с дыхательными вариациями сердечного ритма, поскольку более медленные составляющие сглаживаются. Поэтому RMSSD хорошо отражает состояние парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.

В числе методов оценки внутренней связи между кардиоинтервалами данного ряда используется автокорреляционный анализ. Автокорреляционная функция представляет собой график динамики коэффициентов корреляции, получаемых при последовательном смещении анализируемого динамического ряда на одно число по отношению к своему собственному ряду. После первого сдвига на одно значение коэффициент корреляции (СС1) тем меньше единицы, чем более выражены дыхательные волны, а степень влияния центрального контура управления на автономный тем выше, чем больше число сдвигов до первого отрицательного коэффициента корреляции (СС0).

В качестве метода выявления скрытой периодичности динамического ряда кардиоинтервалов наиболее часто используется метод спектрального анализа. При этом определялются мощности (P-Power) спектра в указанных выше диапазонах (см. Таблицу 1). Мы, однако, выделяем для оценки VLF диапазон частот от 0,04 до 0,015 гц (25−70 секунд). Это важно для того, чтобы оценить активность подкоркового сердечно-сосудистого центра, имеющего в своем составе три ядра (центра) -сосудистый, ускоряющий и ингибиторный (Фолков, Нил, 1983). При этом сосудистый (или вазомоторный) центр функционирует в диапазоне частот около 0,1 гц, а регулирующие активность симпатического отдела вегетативной нервной системы ускоряющий и ингибиторный центры, характеризуются более низкочастотными колебаниями. Колебания с частотами ниже 0,015 гц.(>70 с.), по имеющимся литературным данным (Sayers, 1973), отражают состояние центров терморегуляции и ренин-ангиотензивной системы (van Ravenswaaij-Arts, Kollee et al, 1993). Таким образом, мощность спектров медленных волн первого и второго порядков указывает на активность различных уровней центральной регуляции. При этом медленные волны первого порядка отражают состояние вазомоторного центра, а волны второго порядка — активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. Суммарная мощность (ТР-Total Power) всех волн в диапазоне от 0,4 до 0,015 гц.(2,5−70 с.) характеризует общую активность внутрисистемных (уровень В центрального контура регуляции) и автономных регуляторных механизмов. Следует отметить, что снижение показателя ТР может рассматриваться как результат активации более высоких уровней регуляции, вследствие чего подавляется активность нижележаших центров. Следует отметить, что значения отдельных составляющих спектра (HF, LH, VLF) вычисляются как в абсолютных значениях (в мс-2), так и в относительных единицах (в процентрах по отношению к суммарной мощности). По данным спектрального анализа сердечного ритма вычисляются два интегральных показателя: индекс централизации (ИЦ-Index of Centralization-IC) и индекс активации подкорковых нервных центров (АПНЦ-Subcortical Nervous Centers ActivationSNCA). Для их вычисления применяют следующие формулы: IC = VLF + LF / HF, SNCA = LF/VLF. Физиологический смысл IC состоит в том, что он отражает соотношение между центральным и автономным контурами управления сердечным ритмом. SNCA позволяет оценить состояние сердечно-сосудистого подкоркового нервного центра с точки зрения соотношений специфичного барорефлекторного (сосудистого) компонента регуляции и неспецифических симпатических влияний (стрессорный компонент).

Специального внимания заслуживает получивший широкое распространение в России (СССР) показатель активности регуляторных систем (ПАРС-IARS-Regulatory Systems Activity Index). Этот показатель вычисляется по специальному алгоритму (Р.М. Басевский, О. И. Кириллов, С. З. Клецкин, 1984) с учетом результатов вариационной пульсометрии и спектрального анализа. IARSхорошо отражает изменения в различных звеньях системы регуляции (5,13,18−2). IARSочень чувствительный показатель и тонко реагирует на различные воздействия (физические нагрузки, эмоциональный стресс, ортостатическое тестирование и.т.д.). По значениям IARS производится интегральная оценка состояния регуляторных систем (см. Таблицу 2).

Таблица 2 Шкала оценки уровня адаптации по показателю активности регуляторных систем (IARS).

Таблица 3 Основные показатели вариабельности сердечного ритма и их физиологическиая интерпретация.

Методика анализа динамических рядов кардиоинтервалов имела свои особенности в каждой из серий исследований. При анализе файлов в первой серии исследований использовался дискретно-скользящий метод, когда анализируются выборки со стандартной длительностью в 256 секунд с шагом в 20 секунд. Длительность записей ЭКГ в этой серии колебалась от 6 до 20 минут, поэтому на каждую запись приходилось от 4 до 50 последовательных выборок.

При анализе суточных массивов кардиоинтервалов каждая суточная запись дробилась на 5-минутные отрезки (300 секунд), каждый из которых анализировался как отдельная выборка. Затем полученные результаты с помощью специальной программы «Holter» усреднялись за каждый час, за каждые 8 часов (утро, вечер, ночь) и за полные сутки.

Для анализа вариабельности ритма сердца в данном исследовании использовался комплекс программ «Контроль», разработанная фирмой «Конто» (Москва) совместно с Институтом Медико-Биологических Проблем Минздрава России и Клиникой Бавария (Германия). В Таблице 3 представлена краткая физиологичекая интерпретация основных показателей, использованных нами.

На представлены образцы графиков, получаемых при первичном анализе динамического ряда RR-интервалов с помощью программы «Контроль». В Таблице 3 представлена только та часть из боле чем 50 вычисляемых математико-статистических показателей, которая была использована нами. В таблице приводится английская транскрипция показателей, в том виде как они выдаются на печать после компьютерной обработки данных.

Статистическая значимость различий между показателями вариабельности сердечного ритма в различных группах определялась при попарном сравнении по t-критерию Стьюдента, а также методом пошагового дискриминантного анализа с построением математических моделей исследуемых явлений. В тех случаях, когда распределение выглядит достаточно симметричным и располагается далеко от 0, применение методов основанных на нормальности распределения (в частности критерия Стьюдента), представляется допустимым.