автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Оценка степени интеграции функциональных систем при нагрузочных тестах

Г 1

На правах рукописи

1 5

ПОКИДЫШЕВА ЛЮДМИЛА ИВАНОВНА

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРИ НАГРУЗОЧНЫХ ТЕСТАХ

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

(биофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КРАСНОЯРСК 1996

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель:

Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук,

профессор

Горбаиь А.Н.,

кандидат физико-математических наук Смирнова Е.В.

доктор медицинских наук-Светличная Г.Н.

доктор биологических наук, профессор Левин Л.А.,

кандидат физико-математических наук Садовский М.Г.

Красноярская государственная технологическая академия

Защита диссертации состоится " 1996 года в часов на

заседании Диссертационного совета К064.54.01 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Кирснского, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес . диссертационного совета.

Автореферат разослан " 1996 года

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Н.Г.Кузьмен)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования^ Здоровье человека, адаптация организма еловека к воздействию внешних факторов окружающей среды и сохранение ктивности человека (в том числе и физической) остается одной из главных ¡роблем современной науки на сегодняшний день.

В настоящее время существует немало методов оценки состояния здоро-ья человека, взаимодействия его с окружающей средой, систем жизнеобеспе-[ения человека и популяции в целом, однако остается открытой проблема по-ышения эффективности экспериментальных исследований посредством при-генения качественно новых методов исследования и обработки информации. Это позволило бы сократить сроки экспериментального этапа исследований и низить материальные и трудовые затраты на осуществление экспериментов.

Во многих проводившихся ранее исследованиях здоровья человека сде-[ан акцент на индивидуальную оценку, и заключение о здоровье группы, попу-[яции проводится по средним показателям, которые могут не отражать реаль-гой ситуации (Казин Э.М.,1993,Вгез1ш Е.Н.,1993). Общебиологические законо-1ерности не видны, их невозможно проследить по физиологическим парамет->ам. Для применения таких методов требуются большие объемы выборок и (лительное время наблюдения (Алексеева Т.И.,1988,Фероян,1991). Между тем 1чевидно, что необходим быстрый и надежный метод, позволяющий по сравни-ельно небольшой случайной выборке из популяции оценить степень ее антро-юэкологического напряжения - комплекса характеристик, сформировавшихся ¡од воздействием факторов окружающей среды.

Один из таких методов был предложен А.Н. Горбанем и Е.В. Смирновой [ля оценки степени адаптарованности групп здоровых людей к новым условиям кизни. Метод основан на эффекте увеличения скоррелированности между фи-иологическими параметрами при возрастании адаптационной нагрузки. Эффекту дано качественное объяснение в рамках модели факторы-ресурсы-отбор. Обнаруженный эффект оказался очень информативным, что подтвердилось по-ледующими исследованиями. Установлен также факт уменьшения (распада) юрреляций между физиологическими параметрами при тяжелых формах завоеваний.

В данной работе метод корреляционной адаптометрии получил даль-юйшее развитие при распространении области его применения на нагрузочные есты: физическая нагрузка, гипотермическое воздействие и глюкозотолерант-1ый тест. Данные для обработки были предоставлены Институтом медицинских фоблем Севера (Лаборатория функциональных методов исследования, руково-датель - доктор медицинских наук Г.Н. Светличная).

Проводившиеся ранее исследования (данные для которых получены, в ос-ювном, без учета физических нагрузок) отражают общую тенденцию измене-шя функции отдельной системы и не дают представления о механизмах, обес-1счивающих нормальную жизнедеятельность всего организма в целом. Нет

з

представления о том, каким напряжением достигается выполнение физической работы.

Поэтому целесообразно проведение комплексного исследования по изучению взаимодействия функциональных систем гомеостатического уровня.

Исследование степени интеграции функциональных систем в состоянии покоя, на этапах нагрузочных проб и в период восстановления в различные периоды года, с учетом возраста, уровня артериального давления (АД) в сравнительной характеристике с результатами исследования лиц, проживающих в средних широтах Восточной Сибири, позволит оценить резервные возможности организма. Полученные данные позволят понять, каким напряжением достигается адаптация и оценить состояние здоровья человека, длительно проживающего в экстремальных условиях высоких широт.

Проведение таких исследований без широкого применения ЭВМ превращается в трудноразрешимую задачу. Важное практическое значение приобретает создание специализированных комплексов для проведения исследований, включающих этапы алгоритмической и программной реализации такой оценки на ЭВМ.

Целью настоящей работы является количественная оценка степени напряжения функциональных систем при действии на организм различных дозированных нагрузок, резервных возможностей человека с помощью метода корреляционной адаптометрии; выявление точек максимальной интеграции подсистем при нагрузочных тестах; разработка инструментария для автоматизации проводимых исследований.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:

1. Адаптация метода корреляционной адаптометрии для работы с нагрузочными тестами; количественное измерение и исследование степени напряжения функциональных систем при нагрузочных тестах методом корреляционной адаптометрии.

2. Определение способа количественного измерения интеграции подсистем функциональных систем, обеспечивающих физическую работоспособность при выполнении нагрузочных тестов; нахождение точек наивысшей интеграции подсистем при физической работе.

3. Сравнительная оценка физической работоспособности здоровых мужчин (20-49 лет) пришлого населения, длительно проживающих в условиях Крайнего Севера, с учетом возраста, периода года, уровня АД, а также в средней полосе Сибири, с использованием метода корреляционной адаптометрии. Оценка степени скоррелированности реопоказателеи сосудистой системы глаза при гипотермическом воздействии в норме и патологии атеросклеротическая макулодистрофия) глаза. Исследование динамики веса корреляционного графа показателей липидного обмена у новорожденных при глюкозотолерантной нагрузке. Исследование гастродуоденальной патологии у детей различных рай-

ihob Севера в зависимости от типа питания и сезона года и факторов риска с ^пользованием метода корреляционной адаптометрии;

4. В целях облегчения и автоматизации проводимых исследований спро-:ктировать структуру программного комплекса, реализующего методы и алго->итм, описанные в работе; разработать состав пакета по модулям; разработать ;трукгуры данных, создать базы данных, разработать схему диалога с пользова-елем.

Положения, выносимые на защиту:

1. Доказана применимость метода корреляционной адаптометрии для щенки степени напряжения функциональных систем при нагрузочных тестах. Летод позволил количественно оценить степень интеграции функциональных ;истем и их подсистем при выполнении нагрузочных проб.

2.. Построен, апробирован и обоснован способ нахождения точек наивысшей интеграции подсистем, обеспечивающих физическую работоспособ-юсть при выполнении нагрузочных тестов, количественного измерения и представления такой интеграции.

3. При применении способа количественной оценки степени напряжения функциональных систем при нагрузочных тестах получены важные результаты : точки зрения физиологии и медицины:

а) наиболее напряженным периодом для работы функциональных систем в условиях Крайнего Севера при выполнении физической работы является пери-ад полярного дня;

б) с возрастом степень напряжения возрастает во все сезоны, кроме периода юлярной ночи, в этот период наблюдается обратная зависимость;

в) выявлена низкая скоррелированность параметров систем с развитием ги-1ертонической болезни.

4. Проведена оценка напряжения отдельных функциональных систем пищеварительная система, сосудистая система глаза) при других видах нагру-¡очных проб в норме и патологии. Оценена эффективность проведенного лече-1ия. При исследовании степени скоррелированности показателей пищеварительной системы у детей в условиях Севера экспериментально доказано, что ;мена типа питания и сезон года являются дополнительной адаптационной нагрузкой:

5. Спроектирована структура программного комплекса, реализующего летоды и алгоритм, описанные в работе; разработан состав пакета по модулям; разработаны структуры данных, созданы 123 базы данных формата DBF общим эбъемом хранимой информации около 3.7Мбайт, разработана схема диалога с юльзователем.

Новизна работы.

1. Предложена модификация метода корреляционной адаптометрии для щенки степени напряжения функциональных систем при выполнении физической работы. Исследована работоспособность мужчин в зависимости от возраста, АД и периода года. Впервые проведена оценка степени интеграции функциональных систем, обеспечивающих физическую работоспособность, в основу

такой оценки положен системно-количественный метод с позиции теории функциональных систем А.П. Анохина.

2. Определен способ количественного измерения, представления и исследования интеграции подсистем, обеспечивающих физическую работоспособность при выполнении нагрузочных тестов. Найдены точки наивысшей интеграции подсистем при физической работе.

3. Впервые показана работа регуляторных механизмов в мобилизации поддержания оптимального, устойчивого уровня жизнедеятельности и работоспособности человека в экстремальных условиях среды.

4. Применение метода корреляционной адаптометрии для количественной оценки степени напряжения функциональных систем при нагрузочных пробах позволило впервые показать динамику напряжения сосудистой системы глаза при действии холодовой пробы у здоровых лиц и лиц с атеросклеротиче-ской макулодистрофией глаза. Показано существование зависимости динамики напряжения пищеварительной системы у детей от типа питания и сезона года.

Практическая значимость.

Исследования проводились в рамках реализации целевых программ «Здоровье человека Сибири», «Север - экология человека на Севере», а также явились фрагментами НИР с номерами государственной регистрации 810915665, 08150082510 в Институте медицинских проблем Севера .

Метод корреляционной адаптометрии позволяет количественно оценить резервные возможности человека, сравнить физическую работоспособность людей с учетом возраста, АД, периода года; рекомендовать уровень физической работы лицам с патологией АД. Проведенные исследования выявили сильные корреляционные связи между напряженным состоянием системы и уровнем АД, что дает возможность рекомендовать использование этого метода в кардиологической практике. Предложенный способ разделения на подсистемы может быть успешно применен для выявления наиболее важной подсистемы, входящей в комплексную функционирующую систему при действии на нее возмущающего фактора.

Результаты исследований использованы в комплексе клинико-диагностических мероприятий кардиологических больных в лечебных учреждениях г.Красноярска и г.Норильска, на кафедре пропедевтики внутренних болезней и кафедре внутренних болезней N2 КрасМИ. Кроме того, использованы при профилактических осмотрах для оценки состояния здоровья в учебных заведениях (КГТУ, завод-ВТУЗ), на промышленных предприятиях (ПО «Искра», ЦЭН, Биохимзавод), при оценке степени тренированности сборной края по лыжным гонкам.

Результаты исследований внедрены в практику лаборатории Полярной медицины СО РАМН, г.Норильск, отделения функциональной диагностики Института медицинских проблем Севера СО РАМН.

На основании полученных данных разработан и внедрен в работу Оздоровительного центра Сибирской Технологической Академии «Паспорт Здоровья».

Личный вклад автора.

Лично автором проведена вся обработка экспериментальных данных, предложен способ и разработан инструментарий нахождения точек интеграции подсистем и выявления наиболее значимой подсистемы для функциональных систем, находящихся под воздействием внешних факторов.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах.

Апробация работы.

Основные результаты исследования докладывались - на Всесоюзной конференции(Владивосток,1992); - на секции "Вопросы информатизации медицины и экологии" на Красноярской городской конференции "Проблемы информатизации города"(1995); - на VI Всероссийском симпозиуме "Гомеостаз организма и адаптация к внешним факторам окружающей среды" (1995); - на научной конференции Института медицинских проблем Севера СО РАМН, (1995); International Conference Global & Regional Ecological Problems, 1995.

По результатам работы отработаны критерии диагностики при подготовке диссертаций:

«Особенности гастродуоденальной патологии у детей в условиях Севера» доктора медицинских наук М.А. Белоусовой, Москва, 1992;

«Количественная характеристика функциональных систем, обеспечивающих метаболизм и работоспособность у лиц, проживающих в условиях Крайнего Севера» доктора медицинских наук Г.Н. Светличной, Москва,1995;

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов , приложения. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, иллюстрирована 40 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 169 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА ПРИ АДАПТАЦИИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ.

Дается общая картина современного состояния проблемы оценки функциональных возможностей человека при адаптации к воздействию внешних факторов окружающей среды и при выполнении физической работы. Анализируются существующие методы оценки функциональных резервов человека. В качестве адекватной модели функциональных резервов человека выбран метод нагрузочных проб, а для оценки степени напряжения функциональных систем, скоординированных по принципу мультипараметрического взаимодействия, при адаптации к нагрузочным пробам, предложен метод корреляционной адап-тометрии. Объясняется механизм адаптации при наличии лимитирующего

(определяющего) фактора или равнозначном действии нескольких факторов. Кратко изложено обоснование метода корреляционной адаптометрии.

Глава 2. МЕТОД КОРРЕЛЯЦИОННОЙ АДАПТОМЕТРИИ В ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ФИЗИЧЕСКУЮ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ.

Материалы и методы исследования. При выполнении работы использованы многопараметрические обследования 376 мужчин. Среди них 232 человека -жители Красноярска и 144 человека - жители г. Норильска.

Все обследуемые были разделены по возрасту (20-29 лет, 30-39 лет, 40-49 лет) и уровню артериального давления (АД): лица с нормальным АД, лица с пограничным АД, больные гипертонической болезнью первой степени (ГБ 1ст.) и больные ГБ 2ст.

Данные включали показатели гемодинамики и газообмена у этих лиц в состоянии покоя и на этапах проведения спировелоэргометрических проб (ступенчатовозрастающая нагрузка из расчета 0.5 Вт/кг). Из 28 показателей, занесенных в базу данных, были выбраны наиболее информативные: частота сердечных сокращений, ударный объем, общее периферическое сопротивление, сердечный индекс, АД систолическое, АД диастолическое, максимальный объем дыхания, потребление кислорода и количество выдыхаемого углекислого газа.

Все представленные данные были обработаны стандартными статистическими методами с вычислением среднего, дисперсии, ошибки среднего. Затем проводился анализ парной корреляции для всех изменяемых на каждом этапе нагрузки параметров и для всех рассматриваемых групп.

Определялось количество достоверных корреляционных связей в общем числе рассмотренных коэффициентов корреляции и степень выраженности этих связей. Степень связности параметров оценивалась с помощью веса корреляционного графа, рассчитываемого как сумма весов его ребер (сумма соответствующих коэффициентов парной корреляции):

ьь

где гц - коэффициенты корреляции между г -м и j-u показателями, а - определяется уровнем достоверности г^,- и трех функциональных параметров спектра корреляционной матрицы (Жанатауов С.У.,1986):

1с

/2 (Л) = ^ Я, - значение избыточности системы признаков;

¡=1

/з(л) = Хх/Ал.

- число обусловленности корреляционной матрицы;

/б(л) = £- - суммарный показатель меры удаленности элементов

1-2 Ал

спектра корреляционной матрицы, где к - количество собственных значений, используемых при расчете функциональных параметров спектра корреляционной матрицы , Я,- собственные значения корреляционной матрицы.

В дальнейших исследованиях был применен метод главных компонент, который позволяет произвести замену исходных взаимосвязанных признаков на некоторую совокупность некоррелированных параметров, а также описать объект меньшим числом показателей.

Сравнительный анализ корреляций между физиологическими параметрами функциональных систем группы здоровых в состоянии покоя, на этапах нагрузочных проб и при восстановлении.

Было исследовано напряжение функциональных систем, обеспечивающих физическую работоспособность в зависимости от возраста и периода года в состоянии покоя и на разных ступенях нагрузочных проб.

В возрасте 20-29 лет степень скоррелированности показателей для состояния покоя меняется в течение года в значительной степени (рис.1), достигая наибольшего уровня в период полярной ночи, что свидетельствует о более напряженной деятельности функциональных систем обеспечения физической работоспособности в этот период года. Поведение веса корреляционного графа в период вхождения в полярную ночь и в период выхода из нее значительно ниже, что говорит о более уравновешенном состоянии функциональных систем в эти периоды года. Наиболее благоприятным периодом года для группы 30-39 лет является период выхода из полярной ночи. Высокая степень напряжения для группы 40-49 лет установлена в период вхождения в полярную ночь, а наименьшая - в период полярной ночи.

Повышение значения веса корреляционного графа с возрастанием нагрузки (рис.2) свидетельствует о возрастании напряжения функциональных систем и выделении дополнительных ресурсов на выполнение физической работы.

Во всех исследуемых группах высокая степень скоррелированности физиологических параметров отмечается на всех этапах нагрузки в период полярного дня, что говорит о большом напряжении функциональных систем организма в этот период во время выполнения даже небольшой физической работы. Динамика веса корреляционного графа была рассмотрена и на этапе восстановления. Стоит отметить, что от 5-й минуты к 9-й значение веса С постепенно снижается стремясь к величине О для состояния покоя, поскольку происходит ликвидация кислородного долга и, следовательно, восстановление функциональных резервов. Степень напряжения функциональных систем снижается. В сравнении с последними этапами нагрузки метод позволил выявить следующую закономерность:

Рис. Значение веса корреляционного графа для различных возрастных групп г. Норильска в состоянии покоя в различное время года: вхождение в полярную ночь (XI), период полярной ночи(ХП), выход из полярной ночи (II), полярный день (V).

- если на последнем этапе нагрузочной пробы вес корреляционного графа возрос, то есть имеются функциональные резервы для ее выполнения, то восстановление идет с понижением корреляционных связей;

- если на последнем этапе нагрузочной пробы "•корреляционные связи падают, вес корреляционного графа уменьшается , то восстановление идет с повышением О на 5-й минуте, а затем, к 9-й минуте, наблюдается его снижение.

При сравнительном анализе веса корреляционного графа для состояния покоя, на различных этапах нагрузки и в период восстановления в группе лиц, проживающих на разных широтах (г.Норильск, г.Красноярск), также выявил различия. В условиях высоких широт в исследуемые периоды года (декабрь, май) степень скоррелированности параметров функциональных систем выше (например, для состояния покоя - в среднем в три раза) по сравнению со средними широтами.

Полученные данные говорят о более напряженной деятельности функциональных систем человека, проживающего в условиях Крайнего Севера. Фактор фотопериодичности имеет важное значение среди климатогеографиче-ских факторов, оказывающих существенное влияние на адаптивные перестройки отдельных систем и всего организма в целом.

ю

Р 1 2 3 4 у5

II

, Р7. й ! Ч'-'-чЗ

т! м,

..ШУГ®. лчз

V«

или /ШУШ

, г КЗ

Т/А;™

Р I 2 3 у5 У9

>У$"

у?!

ш >ш ■М

/л^

^ 13

/ / лч ЛМЗ

. УМ

ы

'"ЁГ

УЗ..

щ

УЩ.

Ут

ГуУЙ

{

Р 1 2 у1

Рис. ^.Значение веса корреляционного графа для группы 30-39 лет в состоянии покоя (Р), на различных этапах нагрузочных проб (1,2,3,4) и в процессе восстановления(у5 \'9) в различные периоды года: XI-вхождение в полярную ночь, ХИ-период полярной ночи, П-выход из полярной ночи, У-полярный день.

и

В результате проведенных исследований было установлено, что степень скоррелированности параметров функциональных систем, обеспечивающих физическую работоспособность, определяется величиной нагрузки, возрастом, периодом года и регионом проживания.

Сравнительный анализ корреляций между физиологическими параметрами функциональных систем группы лиц в условиях измененного гемодинамического режима.

При изучении физической работоспособности человека в условиях измененного гемодинамического режима проведено обследование мужчин возрастной группы 40-49 лет, имеющих различный уровень АД: пограничной артериальной гипертонии (ПАГ), гипертонической болезни первой степени (ГБ 1ст) и гипертонической болезни второй степени (ГБ 2ст).

Группу факторов, воздействующих на функциональные системы человека с повышенным АД можно считать синергичной системой факторов, когда кроме воздействия внешних факторов на организм действуют и внутренние факторы, которые усиливают друг друга. Адаптационные ресурсы вынуждены направляться на "борьбу" с различными воздействиями (физическая нагрузка, повышенное артериальное давление) для восстановления и поддержания оптимального метаболизма. Это приводит к снижению скоррелированности параметров, что и наблюдается при исследовании динамики веса корреляционного графа во всех исследуемых группах с повышенным АД.

При ПАГ в 30-39 лет и 40-49 лет организм еще способен выдержать нагрузку в 1 Вт/кг, привлекая для этого необходимые ресурсы. Поведение веса корреляционного графа для этих групп аналогично весу корреляционного графа для здоровых для состояния покоя, 1-й и 2-й нагрузки. При дальнейшем повышении нагрузки организм, уже растратив свои резервные возможности до этого, не способен адаптироваться к новому состоянию, начинает уставать, идет раз-балансировка всей системы.

Для лиц с ГБ 2ст.(в группе 40-49 лет) вес корреляционного графа в состоянии покоя выше, чем для лиц с ГБ 1 ст., что связано с более напряженной работой кардиореспираторной системы. На начало нагрузки скоррелировашюсть параметров повышается, но так происходит лишь на 1-м этапе нагрузки . Дальнейшее увеличение физической работы ведет к разбалансировке всей системы в целом. Разбалансировка системы идет быстрее с прогрессированием заболевания. В условиях повышенной физической нагрузки давящими, определяющими факторами остаются повышенное артериальное давление и условия полярной ночи ("полярная тьма", пониженный уровень метаболизма). Функциональные системы не справляются с новым состоянием, уровень скоррелированности параметров падает, нарастает состояние дизадаптации. Может наступить срыв.

Проведенные исследования позволяют сказать, что лица с повышенным АД могут выполнить наибольшую работу, соответствующую 1 Вт/кг при ПАГ для 30-39 и 40-49 лет; и соответствующую только 0.5 Вт/кг - для ГБ 1ст и ГБ ст2 в 40-49 лет.

Сравнительный анализ корреляций между физиологическими параметрами функциональных систем у лиц с различной степенью тренированности.

Рассмотрев динамику веса корреляционного графа в группе лиц, регулярно занимающихся спортом, можно выявить некоторую закономерность:

- при выполнении физической нагрузки выделение функциональных резервов в организме происходит более равномерно, чем у лиц, не занимающихся спортом (вес О увеличивается пропорционально нагрузке).

- процесс восстановления протекает для организма более спокойно, без предварительного увеличения скоррелированности параметров, без дополнительного напряжения, в отличие от лиц нетренированных.

В целом, исходя из выше изложенного, можно предположить, что у лиц с различной степенью тренированности различна реакция организма на физическую нагрузку: у спортсменов адаптация к воздействию этого фактора протекает легче, с возрастанием нагрузки происходит мобильное подключение функциональных резервов организма.

Сравнительный анализ алгебраических параметров спектра корреляционной матрицы для группы лиц в состоянии покоя и на этапах нагрузочных проб.

Для оценки связей, мало реагирующей на объем выборки, были использованы алгебраические параметры спектра корреляционной матрицы.

Следует отметить одинаковую динамику веса корреляционного графа и показателей избыточности /2 для исследуемых групп в состоянии покоя. То же самое наблюдается и у показателей числа обусловленности /3, но надо отметить меньший разброс значений этого параметра. Еще меньшие различия наблюдаются у параметра /6. Проведенный анализ алгебраических параметров подтверждает результаты, полученные методом корреляционной адаптометрии, однако является более трудоемким.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧЕК МАКСИМАЛЬНОЙ ИНТЕГРАЦИИ ПОДСИСТЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ФИЗИЧЕСКУЮ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ПРИ НАГРУЗОЧНЫХ ТЕСТАХ.

Каждый внутренний фактор - главная компонента (ГК)- может быть представлен в виде функции от наблюдаемых признаков, и мы можем перейти к новым интегральным количественным показателям. При этом функциональная система может быть представлена как совокупность взаимодействующих подсистем.

Выдвигается гипотеза о том, что уровень интеграции подсистем функциональной системы зависит от величины внешних воздействий (этапа нагрузки, состояния организма и адаптационного фона).

Построен количественный критерий измерения уровня интеграции подсистем, с помощью этого критерия исследовать работу подсистем, участвую-

щих в обеспечении целевого показателя (в нашем случае - в обеспечении физической работоспособности), при нагрузочных тестах.

Основной задачей расчетных процедур при определении точек максимальной интеграции подсистем в пространстве: коэффициент корреляции - этап нагрузки - является получение матрицы А - матрицы коэффициентов корреляции первой главной компоненты с измеряемыми признаками. Исходными данными для расчетов служит матрица X, т.е. совокупность всех измеряемых признаков (параметров) у всех объектов. В этой матрице каждый элемент Ху обозначает значениеу-го признака у ¿-го объекта.

На первом этапе элементы матрицы X преобразуют в элементы матрицы 2={гу}, которые получаются с помощью нормирования и центрирования матрицы X:

где Х] -математическое ожидание значений у'-го признака,

сг} - среднее квадратическое отклонение этих значений.

На втором этапе обработки с помощью матрицы X определяем корреляционную матрицу К , т.е. совокупность коэффициентов парной корреляции изучаемых признаков. Затем оцениваем вес корреляционного графа О.

На третьем этапе вычисляем матрицу А - матрицу коэффициентов корреляции ГК с изучаемыми признаками.

Пусть в 1-ю подсистему входят признаки с номерами во 2-ю под-

систему - с номерами 1=п1+],п2,..., в к-ю подсистему входят признаки с номерами причем щ=т. Тогда, если первая ГК, коррелирует с «т» исследуемыми признаками «к» различных подсистем, то для 1-го этапа нагрузки имеет место соотношение

где I = 1-Т-К1 , К1- количество этапов нагрузки.

На четвертом этапе обработки сумму модулей коэффициентов корреляции {ац} каждой подсистемы делим на количество П/, Пъ--,Щ признаков соответственно. Находим значение степени интеграции для каждой исследуемой подсистемы.

Получаем совокупность значений {щр}, где I г номер этапа нагрузки, р-номер подсистемы (р~ 1 +к).

Определяем значение степени интеграции каждой подсистемы для каждого этапа нагрузки. Завершающим этапом является нахождение максимального значения и,р в каждом столбце матрицы.

Полученные максимальные значения показателей интеграции подсистем позволяют выделить уровни воздействий, наиболее сильно влияющие на напряжение функциональной системы.

В качестве иллюстрации предложенного алгоритма определяются точки наивысшей интеграции подсистем функциональной системы обеспечения физической работоспособности при нагрузочных тестах. Рассмотрены подсистема гемодинамики и подсистема дыхания. Исследована работа подсистем в покое и на каждом этапе нагрузки, для разного возраста и в различное время года.

При рассмотрении параметров подсистемы гемодинамики в различные периоды года в группе 20-29 лет выявлено, что высокие значения корреляции первой главной компоненты с параметрами этой подсистемы в период вхождения в полярную ночь достигается на 4-м этапе нагрузки, в период полярной ночи - на 3-м этапе нагрузки, а в период выхода из полярной ночи и в полярный день самая высокая интеграция достигается уже на 1-м этапе. Максимум интеграции для этого возраста приходится на 3-й этап в период полярной ночи и на 1-м этапе - в период выхода из нее. При проведении аналогичных исследований в группе 30-39 лет установлено, что наивысшей интеграции подсистема достигает на 4-м этапе нагрузки в период вхождения в полярную ночь.

Далее были исследована интеграция подсистемы дыхания. Для группы 20-29 лет выявлена наибольшая зависимость ГК от параметров этой подсистемы в период вхождения в полярную ночь - на 2-м этапе, в период полярной ночи - на 1 и 3-м этапе, в период полярного дня - на 2-м этапе. Максимум интеграции выявлен на 3-м этапе в период полярной нота. Максимальная интеграция подсистемы для 30-39 лет приходится на 1-й этап в период выхода из полярной ночи. Для группы 40-49 лет стоит отметить резкое (по сравнению с состоянием покоя) увеличение корреляционной зависимости ГК от параметров дыхания. Такая зависимость сохраняется и на последующих этапах нагрузки.

В дальнейших исследованиях первой главной компоненты корреляции подсистемы гемодинамики были сопоставлены с корреляциями подсистемы дыхания (рис.3).

Выявлено существование точек максимальной интеграции функциональных подсистем, обеспечивающих физическую работоспособность. Установлено, что расположение этих точек на шкале нагрузок и степень интеграции подсистем зависит от общего состояния организма (возраст), величины нагрузки и климатического фона (период года):

- 20 в группе -29 лет максимум интеграции подсистем приходится в период полярной ночи на 3-й этап нагрузки,

- для 30-39-летних он приходится на 1-й этап в период выхода из полярной ночи,

И 1 0,8 ■ 0,6 • 0.4' 0.2 1 Период полярной ночи

—•—Ьет -а—02

2 3 4

Период выхода из полярной ночи

1 2 3 4 5

Период полярного дня

и

Рис,5, Точки интеграции подсистем гемодинамики(—»-нет) и дыхания(-«-о2) при нагрузочных тестах для группы 40-49 лет в разные периоды года

- в группе 40-49 лет максимум интеграции исследуемых подсистем наблюдался в период полярного дня на 3-м этапе.

При выполнении нагрузочных тестов при уменьшении интеграции подсистемы гемодинамики возрастает интеграция подсистемы дыхания. У 20-29-летних проявляется тенденция к регуляции работы подсистем, обеспечивающих физическую работоспособность, как реакция на возрастающую нагрузку. У 3039-летних такая тенденция более выражена. У 40-49-летних компенсаторная роль подсистем прослеживается еще в большей степени.

Наблюдается более напряженная работа (высокая степень интеграции) подсистемы дыхания во все периоды года особенно в период полярной ночи и период полярного дня.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сказать о том, что с возрастом нарастает более слаженная работа регуляторных механизмов, что согласуется с результатами, полученными другими методами (Т.Н. Светличная, 1995).

Предложенный способ количественного измерения уровня интеграции подсистем, может служить способом для выделения точек максимальной интеграции функциональных систем при выполнении нагрузочных тестов.

Глава 4. СРАВНЕНИЕ СКОРРЕЛИРОВАННОСТИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЗКИ. О взаимосвязи реопоказателей при гипотермическом воздействии на глаз че-ловека.Метод корреляционной адаптометрии в оценке эффективности лечения.

Были рассмотрены взаимосвязи реопоказателей при гипотермическом воздействии. Исследование проведено для 144 пациентов с атеросклеротиче-ской макулодистрофией, и 117 пациентов в группе здоровых (без какой-либо патологии глаз).

Методика заключалась в следующем: после записи исходной реоофтальмо-граммы, в течение 10 минут на глаз оказывалось гипотермическое воздействие (холодовая проба). После окончания гипотермии через 1, 10, 20 минут запись реоофтальмограмм повторяли.

В состоянии покоя скоррелированность реопоказателей в группе здоровых невысокая и начинает расти при воздействии на глаз низкой температуры. Холодовая проба является определяющим фактором, и ресурсы организма направлены на "борьбу" с этим фактором. Только после 20-й минуты, наступает восстановление исходного гомеостатического уровня.

Прямо противоположное поведение скоррелированности реопоказателей наблюдается в группе больных атеросклеротической макулодистрофией. В состоянии покоя, до проведения гипотермии, скоррелированность реопоказателей высока: сосудистая система больного глаза постоянно испытывает большое напряжение для обеспечения работы глаза. При гипотермическом воздействии часть ресурса отвлекается для реакции на холодовую нагрузку. Налицо - синер-гичная система факторов: в покое ресурсы подключаются на обеспечение рабо-

ты глаза в условиях патолопш; при нагрузке (холод) часть ресурса "отвлекается на борьбу" с холодовой нагрузкой, что отражается в снижении скоррелирован-ности реопоказателей (распад корреляций), затем, когда действие холода заканчивается, происходит обратное перераспределение ресурса, соответствующего исходному состоянию - скоррелированность повышается.

При сравнении величины скоррелировапности показателей для группы больных макулодистрофией и той же группы лиц, прошедших лечение, выявлено, что скоррелированность реопоказателей у группы больных, прошедших лечение , ниже, чем до лечения, однако остается выше, чем у группы практически здоровых людей.

Оценена степень скоррелированности показателей реоофтальмограммы при гипотермическом воздействии. Полученные результаты позволили проследить динамику напряжения функциональных систем организма, поддерживающих работу глаза, в состоянии покоя и при нагрузках в норме и патологии. Метод корреляционной адаптометрии позволил установить эффективность проведенного лечения.

Сравнительный анализ корреляций между физиологическими показателями крови у новорожденных на разных этапах глюкозотолерантной нагрузки.

С помощью метода корреляционной адаптометрии исследована взаимосвязь показателей липидного обмена для группы новорожденных детей пришлого населения Крайнего Севера (Норильск, Чукотка) и детей жителей средних широт Сибири (Дивногорск). Исследование проводилось на 1-ми 3-м этапе нагрузки в различные сезоны года (зима, весна, лето, осень). Группы сравнивались по весу корреляционного графа по каждым сутаам и на 1-3, 4-6, 7-8 сутки жизни.

При сравнении веса корреляционного графа по каждым суткам, следует отметить, что для детей г. Дивногорска во все сезоны наблюдается более высокое значение веса для показателей фосфолипидов (ФЛ) на всех этапах нагрузки. При рассмотрении поведения веса корреляционного графа для фосфолипидов и общих липидов (ОЛ) по группам суток, прослеживается противоположное поведение веса для ФЛ и ОЛ весной на всех этапах нагрузки, летом - 3-м этапе нагрузки, осенью - на 1-м этапе. Отметим, что зимой наблюдается синхронное поведение веса ФЛ и ОЛ на всех этапах и на всех нагрузках.

Таким образом, у новорожденных детей Крайнего Севера имеется ярко выраженная сезонная зависимость скоррелированности фракций ФЛ. На этапах глюкозотолерантной нагрузки наблюдается высокая степень скоррелированности между показателями липидов, выполняющих, в основном, пластические функции.

Эффект обратнонаправленности в динамике взаимосвязи между показателями липидного обмена.

Рассматривая динамику веса корреляционного графа для новорожденных жителей г.Норильска, по группам суток, мы можем наблюдать эффект противо-

положного поведения скоррелированности фракций ФЛ и ОЛ. Особенно ярко прослеживается такой эффект зимой и весной. Обращает на себя внимание тот факт, что летом, при высоком значении С для фракций ФЛ и ОЛ, при постепенном снижении С для липидов, несущих в основном энергетическую функцию, остается высокой и имеет тенденцию к повышению (с возрастом ребенка) значение О для липидов, играющих в основном пластическую роль в липид-ном обмене. Такой же эффект мы можем наблюдать и у жителей Чукотки.

Таким образом, с помощью метода корреляционной адаптометрии показана взаимная компенсаторная роль показателей липидного обмена. При смене условий существования организма ребенка функциональные системы, обеспечивающие метаболизм, действуют по принципу мультипараметрического взаимодействия. Целью такого взаимосодействия, приспособительным результатом, является достижение некоторого гомеостатического уровня - адаптации к новым условиям существования.

Смена типа питания и сезонность как дополнительная адаптационная нагрузка.

Была создана база данных по трем группам детей в возрасте от 8 до 16 лет для различного времени года (весной и осенью): дети, проживающие в районах Крайнего Севера (Хатангский и Дудинский районы), и дети пришлого населения, прибывшие из разных регионов страны , проживающие на Севере 1-5 лет (всего 500 человек). С помощью метода корреляционной адаптометрии доказано предположение о том, что проявления гастродуоденальной патологии носят сезонный характер и зависят от типа питания, и что эти же факторы отражаются на степени скоррелированности параметров пищеварительной системы.

Факторы риска как дополнительная адаптационная нагрузка при гастродуоде-нальной патологии у детей в условиях Севера.

Большое значение в развитии заболеваний пищеварительной системы и других функциональных систем человека имеют факторы риска. В работе приводятся результаты исследования влияния факторов риска на развитие хронических заболеваний у детей в условиях Севера, выявлены наиболее значимые ( информативные ) факторы, приведен алгоритм классификации по факторам риска, позволяющий относить объект (индивидуум) с конкретным набором факторов риска к классу больных или классу здоровых. Исследования по факторам риска проводились в отдельных районах Красноярска, Дудинки, Хатанги.

Наиболее существенный вклад (41.938%) дает первая главная компонента, имеющая самую сильную корреляционную связь с показателем семейной предрасположенности. Исследования позволили установить информативную значимость каждого из исследуемых факторов риска, а проведенная бинарная классификация - установить принадлежность ребенка (при наличии факторов) к классу больных или классу здоровых.

Следует отметить, что результаты проведенной работы для исследуемых групп совпадают с результатами, полученными в работе других авторов. Однако преимущество приведенного здесь метода в том, что кроме информативной значимости исследуемых признаков (факторов риска), можно говорить о принадлежности индивидуума с конкретным набором признаков к классу больных ( к группе риска) или классу здоровых уже при первичном осмотре, что позволит принять профилактические меры или провести необходимое лечение уже в ранний период жизни ребенка.

Глава 5.СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕПЕНИ НАПРЯЖЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРИ НАГРУЗОЧНЫХ ТЕСТАХ.

В целях облегчения и автоматизации проводимых исследований проделана следующая работа:

1) спроектирована структура программного комплекса, реализующая методы и алгоритм, описанные в главах 2,3;

2) разработан состав пакета по модулям и определим функции каждого модуля;

3) разработаны структуры данных, созданы базы данных,

4) разработана схема диалога с пользователем,

5) рассмотрен процесс функционирования системы в целом.

Создано 123 базы данных формата DBF общим объемом хранимой информации около 3.7Мбайт. Базы данных создавались с применением средств для разработки реляционных баз данных СУБД FOXBase в операционной среде MS DOS 5.0, функционирующей на IBM-совместимых компьютерах.

В ходе работ по программной реализации методов, предложенных в диссертационной работе, создан пакет программ, занимающий около 120 Кб на диске. Программы написаны на языке высокого уровня TURBO Pascal 6.0 с использованием пакета прикладных программ TURBO Professional и организованы в виде единого комплекса модулей, находящихся в. отдельных структурных единицах типа UNIT. Управление системой осуществляется из основного модуля. Из него происходит вызов базы данных и вызов соответствующего модуля обработки, включая метод корреляционной адаптометрии, факторного анализа и определения степени интеграции подсистем при работе функциональных систем под внешним воздействием.

Все модули типа UNIT представляют собой самостоятельные подсистемы, компиляция и отладка которых может происходить независимо друг от друга. На этапе компоновки они объединяются в один загрузочный модуль. Благодаря независимости UNIT, легко строится оверлейная структура, позволяющая разместить систему в ограниченном пространстве памяти системы.

ВЫВОДЫ

1 .В работе показано, что метод корреляционной адаптометрии применим при работе с нагрузочными тестами. Величина веса корреляционного графа по-

зволяет количественно определить общий уровень напряжения функциональных систем при нагрузочных тестах.

2.Проведенная оценка алгебраических параметров спектра корреляционной матрицы подтверждает результаты работы метода корреляционной адапто-метрии.

3.Предложен способ количественного измерения, представления интеграции функциональных систем. С его помощью удалось оценить роль отдельной функциональной системы в интеграции функциональных систем, обеспечивающих физическую работоспособность. Обнаружены точки наивысшей интеграции подсистем, обеспечивающих физическую работоспособность при выполнении нагрузочных тестов.

4.Разработан алгоритм для определения степени интеграции к подсистем на т этапах нагрузочных тестов. Спроектирована структура программного комплекса, реализующая методы и алгоритм, описанные в главах 2,3; разработан состав пакета по модулям и определены функции каждого модуля; разработаны структуры данных, созданы 123 базы данных общим объемом хранимой информации 3.7Мбайт, разработана схема диалога с пользователем.

5.Динамика веса корреляционного графа отражает степень напряжения функциональных систем , обеспечивающих физическую работоспособность, и зависит от этапа нагрузки, возраста и сезона года в условиях Крайнего Севера. Выявлен период наибольшего напряжения функциональных систем- период полярного дня, а также "эффект полярной ночи", когда степень интеграции функциональных систем снижается с возрастом. Предложена величина максимальной нагрузки в зависимости от стадии развития гипертонической болезни.

6.С помощью веса корреляционного графа можно оценить степень скор-релированности реопоказателей при гипотермическом воздействии на глаз для группы больных и здоровых, а также оценить эффективность проведенного лечения. С помощью метода корреляционной адаптометрии показана зависимость напряжения пищеварительной системы от питания и сезона года. Метод корреляционной адаптометрии позволил выявить эффект обратнонаправленности в динамике взаимосвязи показателей липидного обмена.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Покидышева Л.И., Белоусова P.A., Смирнова Е.В. Метод адаптометрии в оценке секреторной функции желудка у детей в условиях Севера// М.: Медицина,- Вестн. Рос. АМН, 1996,- N5,- С.42-45.

2. Покидышева Л.И., Полынцев Л.А., Лазаренко В.И. О взаимосвязи реографи-ческих показателей глаза в норме и патологии при адаптации к гипотермиче-скому воздействию/Юфтальмологический журнал, Одесса,- 1996.-N3.-C.153-155.

3. Белоусова P.A., Смирнова Е.В., Покидышева Л.И. Сравнительный анализ физиологических параметров пищеварительной системы у детей в условиях

Крайнего Севера. -Красноярск, 1994.-22с.-(Препринт// Ин-т биофизики СО PAH:N215-E).

4. Belousova R.A., Smimova E.V., Pokidysheva L.I. The estimation of stomach secretory function for children in conditions of the North// AMSE Transactions. Scientific Siberian: Ecology(Ser.A).-1994.-V.15.-P.122-131.

5. Belousova R.A., Smirnova E.V., Pokidysheva L.I. The estimation of stomach secretory function for children in conditions of the North//Global & regional ecological problems (Soros Foundation).- Krasnoyarsk, 1994,- P.544-553.

6. Покидышева JIM., Белоусова P. А. Бинарная классификация и факторы риска у детей в условиях Севера// Математическое обеспечение.-Красноярск, 1995.-С.562-565.

7. Покидышева Л.И., Смирнова Е.В., Светличная Г.Н. Степень антропоэколо-гического напряжения популяций в зависимости от возраста и периода го-да//Проблемы информатизации региона: Тр. межрегион, конф., Красноярск, 27-29 нояб. 1995,-Красноярск, 1995.-С. 459.

8. Покидышева Л.И., Смирнова Е.В., Светличная Г.Н. Динамика веса корреляционного графа в оценке функциональных систем, обеспечивающих физическую работоспособность//Метод корреляционной адаптометрии в оценке ан-тропоэкологического напряжения популяций.-Красноярск, 1996 - С.12-29.

9. Светличная Г.Н.,Смирнова Е.В., Покидышева Л.И. Оценка физической работоспособности и функциональной системы, обеспечивающей ее, методом корреляционной адаптометрии.- Красноярск, 1995.-36с.- (Препринт/Ин-т биофизики СО PAH:N227-B.

10.Светличная Г.Н., Смирнова Е.В., Покидышева Л.И. Оценка степени интеграции функциональных систем организма при дозированных физических нагрузках // Проблемы информатизации региона: Тр. межрегион, конф., 27-29 нояб. 1995 г.- Красноярск, 1995.-С.460.

П.Смирнова Е.В., Светличная Л.И., Покидышева Л.И. Метод корреляционной адаптометрии для оценки физической работоспособности человека в норме и патологии в экстремальных условиях//Проблемы информатизации города, Вторая науч.-практ. конф., Красноярск, 14-16 марта 1995 г.Красноярск,1995.-С.108-110.