автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ и синтез возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки

На правах рукописи

КОЗЛОВА ВИКТОРИЯ ВИКТОРОВНА

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УЧАЩИХСЯ ЮГРЫ В УСЛОВИЯХ ВЫПОЛНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 05 13 01 - Системный анализ, управление и обработка информации (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Сургут -2008

003446826

Работа выполнена в НИИ биофизики и медицинской кибернетики при ГОУ ВПО «Сургутский государственный универсигег-Хашы - Мансийского автономного

округа-Югры»

доктор биологических наук, профессор ФИЛАТОВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА ГОУ ВПО «Сургутский государственный университет Хаты - Мансийского автономного округа-Югры» доктор биологических наук, доктор технических наук профессор ЯШИН АЛЕКСЕЙ АФАНАСЬЕВИЧ ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

кандидат биологических наук, доцент ПОПОВ ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ ГОУ ВПО «Самарский государственный педагогический университет»

Научно-исследовательский инстшуг экологии Волжского бассейна РАН (г Тольятти)

Защита состоится "18" сентября 2008 г в _часов на заседании

диссертационного совета Д 800 005 01 в ГОУ ВПО «Сургутский государственный университет Хангы - Мансийского автономного округа - Югры» по адресу 628400, г Сургут, пр Ленина, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Сургутского государственного университета Ханты - Мансийского автономного округа - Югры» по адресу 628400, г Сургут, пр Ленина, 1

Автореферат раюспан"1б"авгусга2008г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор медицинских наук, доцент

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ИЮ Добрынина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гипокинезия - один из базовых факторов, влияющих на продолжительность и качество жизни любого человека, проживающего в условиях ХМАО-Югры Малоподвижный образ жизни, проживание основной част жизни в условиях закрытых помещений и ограниченной подвижности порождает много проблем в организации и поддержании основных функций организма, как взрослого человека, так и детского организма Особо остро эти вопросы возникают перед развивающимся организмом Детско-юношеский период требует особой подвижности и физической нагрузки и именно этого не хватает в условиях Югры

Очевидно, что происходящие негативные изменения в организме ребенка, подростка или молодого человека проще всего зарегистрировать на уровне изменений в состоянии функциональных систем организма (ФСО) и в первую очередь это касается нервно-мышечной системы (НМС) и кардио-респирагорной системы (КРС) Характер этих изменений, возможность изучения корреляционных взаимоотношений этих ФСО в норме и при выполнении физических упражнений представляют несомненный интерес и для физиологов, и для специалистов в области экологии человека и даже просто для родителей, которые интересуются особенностями развития организма своего ребенка. Более того, такая информация может обеспечить прогноз развитая жизни человека уже во взрослом состоянии, оценить качество жизни человека в условиях Севера Именно зга проблемы и составляют основу настоящих исследований.

Отметим, что движения обеспечивают различные виды перемещений частей тела и всего тела человека в пространстве К различным видам механических движений относится и широко распространенные колебательные движения Механические колебания тканей являются одной из важных характеристик двигательных функций физиологических систем организма человека Этот факт наиболее очевиден для КРС и НМС, нарушения деятельности в которых приводит не только к снижению уровня качества жизни, но и провоцирует развитие более тяжелой патологии.

Все это настоятельно требует организации специальных методов мониторинга состояния двигательных функций человека и нервно-мышечной системы в целом Именно в связи с важностью решения таких проблем производится разработка как новых методов исследования, так и методов обработки получаемой информации с помощью различных программных устройств

Особый интерес представляют подобные исследования в рамках компарменгао-кластерного подхода (ККП), когда можно поставить и решил, проблему идентификации синергизма в работе отдельных мышц и мышечных систем Эта проблема продолжает оставаться наиболее сложной и интересной не

только в физиологии труда и спорта, но и в биофизике и экологии в целом (Зилов В Г, Фудин Н А (1992-2006), Еськов В М, Хадарцев А А (1996-2008)) Попытка формализовать эту проблему, подойти к ее решению с позиций точных количественных методов системного анализа и синтеза (САС) представляется весьма актуальной Поэтому наиболее важной проблемой в настоящих исследованиях является изучение в рамках ККП особенностей регуляции деигательных функций человека на Севере в условиях выполнения физических нагрузок и без таковых. Решение этой проблемы может быть выполнено с позиций теории хаоса и синергетики (ТХС) с использованием ККП и методов системного анализа, которые все шире используются в экологии человека.

Цель диссертационной работы: Исследование закономерностей возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки методами системного анализа и синтеза.

Эта цель может бьпъ достигнута решением следующих задач.

1 Изучть взаимосвязь между возрастными изменениями параметров НМС и спектральной характеристикой тремора конечностей и на этой основе выявил, наиболее информативные составляющие спекгра тремора при разных режимах нагрузки.

2 Установить характер связей между показателями НМС и КРС у лиц с различными видами нагрузки и степенью тренированности в рамках системного синтеза в условиях Севера РФ

3 Выявил, закономерности изменения параметров аттракторов вектора состояния организма человека (ВСОЧ) у тренированных и нетренированных молодых жителей ХМАО-Югры в условиях выполнения физических нагрузок и на этой основе оценшь степень влияния гипокинезии на организм молодого человека в условиях Севера РФ

4 Сравнил, изменения математических параметров динамики вектора состояния организма человека - ВСОЧ в фазовом пространстве состояний в условиях влияния мышечной нагрузки на организм с целью идентификации наличия маркера по оценке степени детренированносш организма жителей Югры

Научная новизна работы.

1 Изучена взаимосвязь между возрастными изменениями НМС и спектральной характеристикой тремора конечностей и на этой основе впервые выявлены наиболее информативные составляющие спектра тремора при разных режимах нагрузки в условиях Севера РФ

2 С использовавшем методов ККП и ТХС установлен у лиц с разной степенью тренированности характер связей между показателями КРС и НМС при различных видах нагрузки.

3 В условиях выполнения физических нагрузок выявлены закономерности изменения параметров апракгоров вектора состояния организма тренированных и нетренированных молодых жителей ХМАО-Югры, а также произведена оценка степени влияния гипокинезии на организм в условиях Севера РФ

4 С позиций компарменгао-кластерного подхода разработаны математические критерии для оценки влияния мышечной нагрузки на параметры ВСОЧ

Научно - практическая значимость. Разработаны и внедрены в практику алшришы и программные продукты для анализа биомеханических показателей человека, которые позволяют более точно производил, анализ нормального или патологического изменения треморограмм человека в условиях статических и динамических нагрузок и в зависимости от возрастных и половых особенностей регуляции движений. Разработанный биоизмеригельный комплекс (БК) может быть использован в практической работе физиолога и медика для автоматизированной оценки двигательных функций (при профессиональном отборе, при допуске на работу и при контроле состояния человека-оператора, для оценки точности и координации целевых движений в спорте) Алгоритмы и компьютерные программы позволяют идентифицировать основные функции организма учащихся в различных экологических условиях, что обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма Разработанные системные метода оценки показателей состояния вегетативной (симпатической и парасимпатической) нервной системы (ВНС) позволяют внедрять их в практику работы органов управления образования для оценки степени утомления учащихся в ходе учебы, выбирать оптимальную траекторию учебных нагрузок у учащихся по различным видам учебной деятельности.

Внедрение результатов исследований. Разработанные метода и программные продуюы на базе ЭВМ для изучения динамики показателей КРС в рамках ТХС прошли апробацию и внедрены в ряде ВУЗов и школ городов Самары, Сургута. Результаты исследований используются при подготовке студентов в Самарском государственном педагогическом университете, Сургутском государственном университете в лекционных курсах и на практических занятиях по биофизике, экологии человека и медицинской кибернетике, ИПК РЮ г Хаты- Мансийска, в МОУ гимназии №4 г Сургута. Созданный БК был использован при обследовании учащихся школ г Сургута, проводимых НИИ БМК Теоретические результаты работы и БК вместе с

датчиками внедрены в учебном курсе "Биофизика" на факультете биологии

Сургутскою государственного университета, а также в Самарском

государственном педагогическом университете (кафедра спортивных дисциплин), гимназии №4 г Сургута.

Апробация работы. Результата работы докладывались на. Всероссийской научно-практической конференции "Медико-биологаческие и экологические проблемы здоровья человека на Севере" (Сургут, 2000 г), кафедральных семинарах и в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при Сургутском государственном университете, на XIV Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005), на конференции "Экологическое образование и здоровый образ жизни" (Сургут, 2005), на открытой окружной конференции "Наука и инновация XXI века" (Сургут, 2005,2007), на открытой окружной конференции «Спасти и сохранить» (Сургут, 2006), на втором Международном Междисциплинарном конгрессе «Нейронаука для медицины и психологии» (Судак, Крым, Украина, 2006)

Личный вклад автора заключается в получении первичных данных мониторинга двигательных функций человека, а также показателей КРС разных возрастных трупп, в анализе современного состояния проблемы Непосредственно автором с позиций теории хаоса и синергетики (ТХС) с использованием ККП и методов системного анализа выполнены исследования характера динамики параметров КРС человека в многомерном фазовом пространстве, самостоятельно осуществлена статистическая обработка данных, их интерпретация и анализ В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 50-70%

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 1 монография (в соавторстве), 2 работы в рекомендуемых ВАК изданиях. Их перечень приведен в конце автореферата.

Объем и сгруюура диссертации. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста и состоит из "Введения", в котором обосновывается актуальность исследования возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки.

В первой главе представляется обшая характеристика функциональных систем организма человека в рамках компартмешно-кластерного подхода (рассматриваются вопросы организации непроизвольных движений человека с

позиций компартментно-кластерного подхода, дается системный анализ параметров кардио-респираторной системы организма учащихся Севера РФ)

В главе "Объект и метода исследований" представляется объект исследования и уделяется внимание современным методам, рассматриваются оригинальные авторские методы, применяемые для исследования динамики параметров КРС, а также двигательных функций человека с использованием биоизмерительного комплекса, глава "Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение" посвящена исследованию параметров тремора и ВСОЧ у тренированных и нетренированных испытуемых до и после нагрузки, а также исследованию возрастных изменений показателей непроизвольных движений учащихся Югры в условиях статических и динамических нагрузок Имеются вывода и приложения Библиографический указатель содержит 168 наименований работ, из которых 142 на русском языке и 26 иностранных. Текст диссертации иллюстрирован 25 таблицами и 22 рисунками

Положения, выносимые на защиту.

1 Спектральные характеристики непроизвольных движений верхних конечностей (тремора) могут бьггь использованы в качестве маркера пубертатного периода и маркера развитая степени утомления (на основе анализа интервала до 15 Гц и около 10 Гц в, частности) Для оценки влияния динамической нагрузки на НМС достаточен анализ АЧХ в области 2 Гц и 10 Гц.

2 Используя данные параметров ВСОЧ (например, СИМ, ПАР, ИНБ) можно оценивать степень эффектов гипокинезии у жителей ХМАО-Югры

3 Разработаны математические методы оценки влияния мышечных нагрузок на параметры ВСОЧ в рамках ТХС

4 Расчет расстояний Ъ между центрами аттракторов обеспечивает идентификацию степени детренированносга (гипокинезии) испытуемых в условиях Севера РФ

Объект и методы исследований.

Исследование параметров движения вектора х=х^)=(х1,х2, Лп)Т организма человека в фазовом пространстве состояний (ФПС) производилось в рамках традиционной статистики и методами теории хаоса и синергетики В рамках ТХС нами идентифицировались параметры аттракторов, которые (как было установлено) существенно отличаются у учащихся разных возрастных групп.

Для идентификации компонент х, в наших исследованиях применялся пульсоксимеггр «ЭЖЖС-01С2», разработанный и изготовленный ЗАО ИМЦ Новые Приборы, г Самара. В устройстве применялся оптический пальцевый датчик (в виде прищепки), с помощью которого происходила регистрации пульсовой волны с одного из пальцев кисти. Технически он выполнен с

применением оптических излучателей и фотоприемника деух типов в ближнем инфракрасном и красном спектре диапазона световой волны, которые дают возможность непрерывно определять значения степени насыщения гемоглобина крови кислородом, в %, а также значения частоты сердечньгх сокращений.

Прибор снабжен программным продуктом «ЕЬСХЖАРН», который в автоматическом режиме позволяет отображать изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов Нами выполнена некоторая модификация программы в отношении усреднения показателей симпатической и парасимпатической вегетативной нервной системы, что обеспечивает представление процессов на фазовой плоскости или в т-мерном фазовом пространстве в виде динамики хаотичных процессов

Использование данной методики и аппаратуры для исследования показателей пульсоинтервалографии производилось в положении испьпуемого сцпя в относительно комфортных условиях. С целью исключения артефактов и нивелировки влияния отрицательных обратных связей на съем информации, регистрировался пятиминутный интервал измерений кардиоинтервалов (КИ)

Таким образом, используя метод вариационной пульсометрии и выполняя анализ вариабельности сердечного риша (ВСР) во временной и частотной областях, можно получить информацию, характеризующую процессы управления основными жизненными функциями организма человека под воздействием экофакгоров или физических нагрузок.

В процессе выполнения наших исследований непроизвольных движений (тремора) было установлено, что использование датчиков токовихревого типа, разработанных в НИИ БМК гарантирует достаточно высокую точность измерений. Это обеспечивает широкий диапазон частот регистрируемого тремора и полную обработку информации Принцип его работы заключается в использовании сигналов от двух токовихревых датчиков, между которыми помещается исследуемый объект для измерения его микроперемещений. Обработку сипилов с датчиков производили с использованием запатентованной программы, обеспечивающей получение спектральных характеристик и их анализ в фазовом пространстве состояний.

Метода основаны на идентификации объемов аттракторов движения ВСОЧ в фазовом пространстве доя нескольких кластеров, а затем поэтапного (поочередного) исключения из расчета отдельных компонент вектора состояния биосистем с одновременным анализом параметров апракгоров и сравнением существенных или несущественных изменений в этих параметрах после такого исключения

Алгоритм такой процедуры основывается на следующих шагах.

1 В программу расчета на ЭВМ поочередно вводятся исходные компоненты

ВСОЧ в вице матриц биосистемы по каждому го к кластеров Данные могут

вводиться вручную либо из текстового файла, те получаем матрицу состояний для всех р кластеров в m - мерном фазовом пространстве, причем / - бегущий

индекс компонента вектора X ( г = 1, К , m ), a J - номер биообъекта (пациента)

(j = 1,К , п ), бегущий индекс кластера к определяет число массивов данных

(к = 1,К , р ) Иными словами элемент такой матрицы Д* представляет к -й

кластер биосистем, i -й компонент ВСОЧ для J -го испьпуемого

2 Производится поочередный расчет координат граней параллелепипеда объемом Vc, внутри которого находится аттрактор движения ВСОЧ для всех ] -х

исследуемых (j =1,К ,п )из к -го кластера (к = 1,К , р ), их длинны (Interval)

m

nj1 = Xl(max) -Xi(mm) , и объема k-ro параллелепипеда Vq =Y\D< > где

xi{mm) ' -^(max) — координаты крайних точек, совпадающих с нижней и верхней границей области ФПС внутри которой движется ВСОЧ по координате х,, вектора объемов (General Value) V = (V0, Vx Vp)T, ограничивающих все p аттракторов, a также показатели асимметрии (Asymmeliy) стохастического

X С = (х.с х,с„ хс 1 X ° = (хс. хс„ х° ) , и хаотических Л 1 (л1\'л12 л\т> Р (лр\'лр2 л рт >

центров апрагсгоров для каждого j-ro пациента

V * _ / V * у у X \ уг X _ ^ v X VX у X \

A\ ~~ V 11 >12 х\т> ЛР ~(хр\'хр2 рт '

N

Отметим х j,m = £ х 1 1 N " формула для идентификации

j- 1

стохастического центра аттрактора, который находатся путем вычисления среднего арифметического одноименных координат точек, представляющих проекции конщ вектора состояния БДС на каждую из координатных осей. Выделим, что для любых кластеров х* = + Dк, / 2 - формула для

идентификации хаотического цешра аттракторов,/)* - ширина фазовой

области аттрактора в проекции на i-ую координату, те ширина грани гиперпараллелепипеда.

3 Вводится параметр R, показывающий степень изменения объема аттракторов для к -го кластера до и после уменьшения размерности фазового

пространства. В исходном приближении вычисляем

4 После исключения поочередно каждой из координат вектора X (например, для двухкластерных систем) вычисляются вторые приближения параметров 1 = (— V^ ) / V ^ Таким образом, получаем

Я = (7?0 ,К , Ят)г, те вектор значений, по которым можно определить

уменьшилась или увеличилась относительная величина аттракторов V при изменении размерности фазового пространства При уменьшении относительных размеров V, анализируются параметры системы и на основе их неизменности или малой изменчивости делается заключение о существенной (если параметры существенно меняются) или несущественной (параметры почти неизменны) значимости конкретного, каждого х, компонента ВСОЧ для всего

вектора^Г = (Хх,Х2,...,Хт)Т

В рамках реализации этого алгортма производилась минимизация размерности всех к кластеров БДС при сравнительном анализе поведения их векторов состояния, размеров аттракторов и координат их центров, что обеспечивает системный синтез

В наших исследованиях мы имеем пять координат ВСОЧ по параметрам показателей вегетативной нервной системы испытуемых. В данной работе также используются новые подходы теории хаоса и синергетики (ТХС), которые основаны на анализе параметров аттракторов ВСОЧ. Последний базируется на сравнении параметров различных кластеров, представляющих биологические динамические системы К этим кластерам могут относиться одни и те же БДС, но находящиеся в разных физических состояниях (биосистема изучалась до и после предъявляемой нагрузки) Однако, возможно сравнение и многих кластеров, те трех, четырех и так далее Нами разработаны программные продукта, которые обеспечивают сравнение двухкластерных и многокластерных систем

Результаты собственных исследований и их обсуждение

В процгсее выполнения наших исследований непроизвольных движений (тремора) в условиях дозированных физических нагрузок было установлено, что использование датчиков токовнхревого типа совместно с разработанным информационным комплексом гарангарует достаточно высокую точность измерений. Он обеспечивает широкий диапазон частот регистрируемого тремора и полную обработку информац ии.

Разработанная аппаратура и программное обеспечение были апробированы в биологических исследованиях на учащихся МОУ гимназии №4 г Сургута Д ля выявления возрастных различий в треморограммах было обследовано 295 человек

(145 девочек и 150 мальчиков в возрасте 11-16 лег) В связи с тем, что более яркие адаптивные проявления в работе нервно-мышечной системы можно проследил, в условиях нагрузки, то 30 из всех учащихся (15 девочек и 15 мальчиков) обследовались для изучения влияния локальных динамических нагрузок на амплшудпо-часшгные характеристики (АЧХ) треморограмм.

Во всех случаях фиксировались треморограммы дтя разных биомеханических звеньев

• киста (фиксация руки в запястье),

• кисти+предплечья (фиксация руки в локтевом суставе),

• кисти + предплечья+плеча (фиксация руки в плечевом суставе)

Таким образом, был прослежен спектральный «вклао>> каждого биомеханического звена в общую микроструктуру деижений. В ходе исследования были выделены основные характерные частоты тремора различных (кисть, плечо, предплечье) звеньев биокинемагаческой црпл

• 9-12 Гцдля киста;

• 4-бГцдляпредплечья;

• 15-3 Гцдояплета.

Отдельным блоком исследовались параметры АХЧ для разных кинематических звеньев В качестве последних изучался тремор палый if и фиксации в кисти, предплечье и плече Наиболее характер! тый пример АЧХ тремора различных звеньев биокинематической цепи представлен на рис 1

Необходимо заметил», что практически во всех подгруппах при общих усреднениях четко наблюдался локальный максимум АЧХ в области 9-11 Гц, причем у девочек он был более выражен, чем у мальчиков соответственно в возрасте 11-12 и 13-14 лет Установлено, что имеется отличие от старшей группы школьников, где более была выражен комговгнг 10 Гц у мальчиков Таким образом, стапктгачески достоверно установлено, что имеет место увеличение амтшшуды колебаний с частотой около 10 Гц как у мальчиков, так и у девочек с увеличением возраста испьпуемых (особо это проявляется в пубертатный период) Например, установлено, что с увеличением возраста у девочек увеличивается и низкочастотная компонента с ЗОуе (вгюдтруппе 11-12лег)до38уе (вподгруппе 15-16лет)

Таким образом, полученные в исследованиях тремора значения амплитуды характерных частот (например, около 10 Гц) могут служшь количественными признаками, описывающими формирование системы регуляции двигательных функций у подростков разных возрастных групп. Мы предполагаем, что это обусловлено в первую очередь особенностями возрастной и половой организации ВНС детей и юношества в условиях ХМАО-Югры (см. рис. 2)

Регистрация показателей треморограмм мышц верхней конечности человека в условиях дозированной динамической нагрузки и без нее дает объективную информацию о состоянии ЦНС и ее периферических отделов В работе исследовалось

влияние локальной динамической нагрузки на показатели микродвижений человека В качестве такой нагрузки использовались упражнения с отягощениями (2 - 4 кг) до утомления. А (у.е.)

а)

А (у.е.)

б)

А (у.е.)

I П И ■ I | I I ! П ^

в).

Рис.1. Различия в спектральных характеристиках микродвижений пальщ у испьпуемого А. Д. при фиксации (опоре) руки в суставе запястья (а), в локтевом суставе (б) и в суставе плеча (в).

Нагрузка (упражнения на сгибание-разгибание кисти, предплечья и подъем-опускание рук с гантелями) локализовалась в зависимости от исследуемого звена биокинематической цепи - кисти, предплечья, плеча Результаты представлены на рис. 3.

Измерения этой серии проводились с использованием комплекса для испытуемых одной возрастной группы (15-16 лет) средней физической подготовки. Все испытуемые были разбиты на две подгруппы (по 15 человек) по половому признаку.

Рис. 2. Усредненные амплитудно-частотные характеристики тремора пальцев кисти мальчиков 15-16 лет в состоянии покоя.

После динамической нагрузки в 92±3,4% наблюдался сдвиг максимумов АЧХ треморограмм в окрестности 2 Гц в область низких частот. Усредненные показатели тремора всех групп мышц у мальчиков (сравнительно до динамической нагрузки и после) дают в среднем на 27±3,1% большую амплитуду низкочастотных составляющих спектральных характеристик. У девочек такое увеличение амплитуды после нагрузки на частотах ниже 2 Гц несколько меньше выражено, чем у мальчиков. При сравнении реакции мышц конечности мальчиков и девочек на динамическую нагрузку выявлено, что у девочек после нагрузки высокочастотные составляющие на частоте 10 Гц возрастают с 9 у. е. до 12 у. е., а у мальчиков с частоты 10 Гц (10 у.е.) происходит смещение максимума на частоту 9 Гц с возрастанием амплитуды (на 13 у.е.).

Можно предположить, что это связано с зависимостью регуляторных механизмов от пола. Эта зависимость проявляется определенными различиями в нервно-мышечной регуляции тонуса

мышц мальчиков и девочек этой возрастной группы, проживающих в условиях ХМ А О - Югры.

А (у.е.)________

I I I N I I I Н I I 1 I 1 I

а)........

А (у.е.)

—I——В-1—Л-

.«.,„ I.,

Г»

А (у.е.)

1л1

1и_Ш1

в).................

Рис.3. Амплитудно-частотные характеристики тремора пальцев киста мальчиков 15-16 лет после динамической нагрузки с грузом в 2 кг (рис. а), после нагрузки с грузом в 3 кг (рис. б), после нагрузки с грузом в 4 кг (рис. в).

Провода исследования влияния локальных динамических нагрузок на отдельные группы мышц, участвующих в организации непроизвольных движений человека, мы установили, что после локальной динамической нагрузки (упражнения с гантелей до утомления) характерные частоты треморограмм уменьшаются на 1-2 Гц, а амплитуда возрастает.

Все выполненные нами измерения амплитудно-частотных характеристик микроперемещений конечности человека позволили сделать вывод о существенной значимости анализа треморограмм именно в области до 15 Гц Тем самым выполненные нами измерения доказывают возможность выделения характерных частот в области низкочастотного диапазона, которые значимо могут представлять физиологические характеристики конкретного человека и его реакцию на те или иные внешние воздействия. Результаты представлены на рисунках 4 и 5. А (у.е.)

50 45

35

25

а)

А

Рис. 4. Амшшудно-частотные характеристики микродвижений пальцев кисти с опорой в запястье девочек 15-16 лет (в количестве 15 человек) в состоянии покоя (рис. а) и после локальной динамической нагрузки (рис. б). Такой результат находится в определенном противоречии с результатами

(У.е.)

1111111111«« ш|| 1 9 .1.....1 1, 1 Н, ,1,1,1 ВвпвяИЙНп

других работ, в которых высказываются предположения о хаотическом характере возникновения и существования тремора у человека Результаты наших собственных исследований показывают, что тремор по своей природе действительно носит хаотический характер, однако суперпозиция нескольких временных отрезков у одного и того же человека (при непрерывной регистрации тремора) и ее амплитудно-частотный анализ позволяет выделить определенные (характерные) частоты, которые свойственны именно данному человеку и в данных физических условиях среды.

а)

А(у.е.)

б)

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики микродвижений пальцев кисти с опорой в запястье мальчиков 15-16 лет (в количестве 15 человек) в состоянии покоя (рис. а) и после локальной динамической нагрузки (рис. б).

Нами установлено, что такие характерные частоты для младших школьников (до 12 лег) находятся в облаете 14 Гц Для средних и старших возрастных групп, кроме

этого частотного диапазона, очень информационно выраженной является область частот вблизи 10 Гц Амплшудно-часгошые показатели вблизи 10 Гц существенно изменяются при изменении возраста испьпуемых от 12-ти лег к 15-16-ти годам В начале возрастает (среднестатистически) амплтуда и частота этих колебаний с последующим ее снижением к концу пубертатного периода. Очевидно, что это характеризует и изменения в психо-эмоциональной сфере, и в механизмах регуляции НМС Коррелированные изменения параметров ВСОЧ установлены и для показателей ВНС

Нами (с использованием новых авторских методов регистрации непроизвольных движений человека) выполнен анализ амплигудных микродвижений верхних конечностей. Применяя спектральный анализ Фурье, были установлены существенные различия в амшшудно-частотньгх характеристиках разных возрастных групп Изучены закономерности влияния статической нагрузки на показатели треморограмм в области низкихчасшг

Выполненные исследования с использованием разработанного в НИИ БМК при СурГУ диагностического комплекса представляют данные массового обследования двигательных функций учащихся как в норме, так и при различных патологических состояниях. Существенно, что проделанные авторские экспресс-исследования в ХМАО проводятся впервые

В результате этих исследований выявлена закономерность, непроизвольные движения кисти, предплечья и плеча имеют ряд характеристик, выраженных дня всех возрастных групп, а именно

1 Существуют максимумы амплитудно-частотной характеристики вблизи 24 Гц характерные для кисти, предплечья и плеча

2 Регистрируются выраженные гармоники низкочастотных компонент в области 0,5 Гц 1 Гц, 1,5Гци2Гц

3 Ошечаегся в некоторых гистограммах наличие четких максимумов в области 9-11 Гц которые лучше выражены на амшшудно-частотньгх характеристиках сгаршеклахников и студентов (симпаготоников)

Основываясь на развипги новых подходов к исследованию НМС и возможностях применения датчиков токовихревого типа, а также измерительных систем на их основе, нами было щучено влияние статической нагрузки на тремор Установлено что, увеличение нагрузки приводит к уменьшению амплитуда колебаний в области 8-10 Гц те высокочастотных составляющих (го амплитуде они не превышают 2^-5 у е), вплоть до почпг их полного нивелирования. Одновременно увеличивается амплтуда колебаний в области низкочастотного диапазона и происходит смещение в область более низких частот (с 34 Гц до 1-1,5 Гц) Полученные нами данные совпадают с результатами других авторов (А. Гидиков 1975 г,ВААнгонец 1991-20011г,АМБагодеева1989г)

Нами представлено объяснение полученным экспериментальным данным, которое сводится к следующему При усилении статической нагрузки усиливается

иннервавдя у2 статических клеток и соответственно активизируется вторая группа афференгов, отходящих от вторичных окончаний. Преобладание активности именно вирой группы должно приводить к усилению низкочастотного компонента и ослаблению активности динамических клеток Последнее, по нашему мнению, обуславливает ослабление высокочастотных компонент и увеличивает амплитуда низкочастотных компонент Таким образом, наблюдаемые биологические эффекты могут быть теоретически объяснены с тзищгй регуляции нервно-мышечного аппарата.

Проживание на Севере РФ откладывает определенный отпечаток на работу различных функциональных систем организма человека. Особенно это касается нсрвго-мы щечной системы развивающегося организма, например, школьников Югории. Эта особенности связаны с хронической шгокишзией и действием ряда экологических факторов ги формирование и развитие НМС в предпубертатный, пубертатный и постпубергашьтй периода жизни молодого человека

Главным факиром, усложняющим процесс развития ФСО и НМС, в частности, в условиях Севера РФ, остается гипокинезия в условиях длительного пребывания в закрытых помещениях. Именно этот фактор проявляется в ряде компенсаторных реакций НМС на уровне КРС Действительно, как показали наши исследования, любая значительная физическая нагрузка вызывает у среднестатистического учащегося школ Югры реакцию, которая существенно отличается от такой же у ученика средней полосы РФ Указанная реакция НМС проявляется в отличиях показателей индекса акгавюсти симпатического отдела вегетативной нервной системы (СИМ), иццекса активности парасимпатическою отдела вегетативной нервной системы (ПАР) и индекса напряженности (го РМ Баевскому ИНБ) на стандартные физические нагрузки как у спортсменов (по различным вилам сперта), так и у нетренированных лиц

В этом блоке обследований участвовали студешьг Сургутского государственного университета (юноши и девушки) с разным уровнем физической подготовки. Показатели снимались до и после физической нагрузки Обследуемых условно разделили на д ве группы 1- студенты, занимающиеся физической культурой (ФК) не регулярно (лишь 2 раза в неделю в рамках государственной программы го ФК), 2 -сгудеглы, занимающиеся регулярно игровыми видами спорта (футбол, волейбол, баскетбол)

Исследовались показатели вегетативной нервной системы у 2-х груш испьпуемых в ходе выполнения стандартных физических упражнений в соответствующих видах спорта. Полученные результаты обрабатывались одним из методов математической статистики - расчетом до доверительного интервала (с доверительной вероятностью /3=0,95) Были получены достоверные различия го критерию Сшодента три сравнении некоторых параметров кардиореспирагорной системы до и после предъявляемой нагрузки Было установлено, что обобщенный показатель активности симпатической нервной системы (СИМ) студентов,

занимающихся игровыми визами спорта, до физкультурных тренировок составлял 229Я),86 После тренировок показатель СИМ составил соответственно 6,07±2^5 Одновременно показатели парасимпатической нервной системы (ПАР) до тренировок у этой же группы испытуемых составили: 19,86±2,88, а после тренировок ПАР имел значение 11,64*2,87 (см таблицу 1) Индекс Баевского до и после нагрузки составлял 33р7± 13,27 и 131,43±74,85 соответственно По показателям ЧСС и БРОг (процент содержания оксигемоптобина в крови испьпуемых) существенных различий не наблюдается Огметим, что показатели ВНС из таблицы 1 являются координатами ВООЧ (хо=СИМ, Х|=ПАР, х2=ИНБ, х3=БР02, Хг=ЧСС)

Таблща 1

Результаты статистической обработки данньгх до доверительного интервала показателей кардио-респираторной системы юношей, занимающихся игровыми видами спорта и не регулярно занимающихся спортом, до и после физической нагрузки Здесь СИМ- показатель активности симпатической вегетативной нервной системы (ВНС), ПАР- показатель активности парасимпатической ВНС, ЧСС- частота сердечных сокращений, ИНБ - показатель индекса Баевского (в у е ), БР02 - процент содержания оксигемоглобина в крови испытуемых

<х> - среднее арифметическое значение, (к- средняя погрешность

Юноши

Показатели ВНС (<х>± (к) Нагрузка Игровые виды спорта Не тренированные

СИМ до 2,29±0,86 ЗД7±1,91

после 6,07±2,35 18,73±4,50

ПАР ДО 19,8Ш,88 14Д0ЬЗ,46

после 11,64±2,87 3,40*1,27

ИНБ ДО 33,57±13,27 49,0Ш0,56

после 131,43±74,85 458,00±136,79

БРОг до 98,07±0,58 98,33±0,62

после 97,43±0,74 98,07±0,39

ЧСС ДО 80,5(^8,16 85,00±5,03

после 95,43±7,62 120,60±6,45

Резко по всем показателям отличаются студенты юноши, занимающиеся физической культурой (ФК) не регулярно (лишь 2 раза в неделю в рамках государственной программы по ФК) до и после предъявления нагрузки Их средние арифметические значения после нагрузки возрастают в несколько раз и составляют для СИМ с

3,27±1,91 до 18,73±4,50 соответственно Показатели ПАР снижаются с 14,20±3,46 до 3,40±1,27 Наибольшее различие мы видим для показателя индекса Баевского - он практически в 10 раз возрастает после нагрузки и составляет 458,00±136,79 при значении 49,00±20,56 до нагрузки Показатель БР02 до нагрузки составил 98,33±0,62, а после 98,07±0,39

В данной работе также используются новые подходы теории хаоса и синергетики, которые основаны на анализе параметров аттракторов ВСОЧ Последний базируется на сравнении параметров различных кластеров, представляющих биологические динамические системы К этим кластерам могут относиться одни и те же биосистемы, но находящиеся в разных физических состояниях (биосистема изучалась до и после предъявляемой нагрузки) В наших исследованиях мы брали пять координат ВСОЧ по параметрам показателей вегетативной нервной системы (ВНС) испытуемых (юношей)

Таблица 2

Параметры аттракторов вектора состояния организма юношей, занимающихся игровыми вилами спорта до и после физической нагрузки

До тренировки

Количество измерений N= 14 Размерность фазового пространства=5

Interval2X0= 5,00 Asymmetry2X0= 0,04

Interval2Xl= 19,00 Asymmetiy2Xl= 0,03

1 Interval2X2= 70,00 Asymmetiy2X2= 0,16

о в & Interval2X3= 3,00 Asymmetry2X3= 0,19

Interval2X4= 50,000 Asymmetiy2X4= 0,09

General asymmetry value Ry = 12,32

о с General V value Vy=9,98105

После тренировки

I и и Количество измерений второго массива N = 14 Размерность фазового пространства=5

м Interva]X0= 17,00 AsymmetiyX0= 0,20

£ IntervalXl= 19,00 AsymmeOyX 1=0,09

** biterva!X2= 480,00 AsymmetryX2= 0,27

IntervalX3=4,00 AsymmetiyX3= 0,11

IntervalX4= 50,00 AsymmetryX4= 0,05

General asymmetry value Rx = 128,65

General V value Vx=3,1 107

Из ниже представленных таблиц следует, что общее число измерений координат фазового пространства равняется пяти, а аттракторы движения ВСОЧ до и после предъявления физической нагрузки занимают разные области в фазовом пространстве (кроме того, что они имеют разные объемы)

Анализируя таблицы 2 и 3, мы видим следующую картину У юношей, занимающихся игровыми видами спорта, общий показатель асимметрии - расстояние между геометрическим центром

аттрактора и статистическим центром) до тренировки равен 12,32 после тренировки 128,65 Объем ш-мерного параллелепипеда, ограничивающего аттрактор, составляет 9,98 105 до нагрузки и 3,1 107 после, т е объем увеличивается в 30 раз после предъявляемой нагрузки по сравнению с исходным

Таблица 3

Результаты анализа исключения отдельных признаков параметров аттракторов вектора состояния организма юношей, занимающихся

игровыми видами спорта до и после физической нагрузки

Объем первого аттрактора Объем второго аттрактора Различие между объемами аттракторов Относительная погрешность

Уу0=9,98 10" Ух0 = 3,1 10' <№=3,010' Ы0= 96,78%

Уу1 = 1,99105 Ух1 = 1,82 Ю6 сМ1=1,63 10й Ш= 89,06%

Уу2=5,25104 Ух2= 1,63 10ь сШ=1,5106 К2= 96,78 %

УуЗ = 1,43 104 УхЗ=6,46103 с]Ш=5,04104 Ю= 77,94%

Уу4=333 105 Ух4=7,75 10ь (Ш=7,42 10й 114=95,71%

Уу5 = 1,99104 Ух5 = 6Д103 (±5=6,0105 И5= 96,78%

Используя разработанные и запатентованные программные продукты мы определили расстояние между центрами двух аттракторов движения ВСО юношей, занимающихся игровыми видами спорта до и после нагрузки - Ъ, которое составляет 20 = 99,40 Методом исключения отдельных признаков был выполнен системный синтез с помощью ЭВМ, который учитывает влияние X, признака (в нашем случае это параметры ВНС) на величину Ъ (расстояние между центрами аттракторов) Было установлено, что более значительным является признак Х3 (показатель индекса Баевского - см таблицу 6), так как при его исключении существенно изменяется расстояние и составляет ЪЪ = 17,47 При анализе объемов аттракторов следует обратить внимание на параметр Ш)= 96,78 % (относительная погрешность), который показывает степень изменения объема аттракторов для каждого кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства При уменьшении относительных размеров

объемов (Ух), анализируя параметры системы, можно сделать заключение о существенной (если параметры существенно меняются) или несущественной (параметры почти неизменны) значимости конкретного, каждого X, компонента ВСО юношей, занимающихся

игровыми видами спорта для всего вектораX — (х1,Х2,...,Хт)Т

Анализируя этот параметр до и после нагрузки, можно отметить, что при исключении признаков наиболее значимым является Я3= 77,94 %, именно при его исключении объемы существенно уменьшаются

У юношей, не регулярно занимающихся спортом, общий показатель асимметрии (/^ - расстояние между геометрическим центром аттрактора и статистическим центром) до тренировки равен 16,41 после тренировки расстояние сильно увеличивается и составляет 137,19 Объем 5-мерного параллелепипеда составляет 5,72 106 до нагрузки и 1,51 107 после (см таблицу 4), также можно отметить, что после предъявляемой нагрузки в 3 раза возрастает объем

Таблица 4

Параметры аттракторов вектора состояния организма юношей, не регулярно занимающихся спортом до и после физической нагрузки

До тренировки

Количество измеренийN= 15 Размерность фазового пространства=5

Interval2X0= 13,0 Asymmetry2XO=0,25

Interval2X 1=20,0 Asymmetiy2Xl= 0,01

1 lnterva]2X2= 110,0 Asymmetry2X2= 0,15

о Interval2X3=4,0 Asymmetry2X3= 0,33

2 Interval2X4=50,0 Asymmetiy2X4= 0,02

О General asymmetry value Ry = 16,41

General V value Vy=5,7210 6

1 в & и После тренировки

Количество измерений N= Размерность фазового прост 5 ранства=5

IntervalXO=30,0 AsymmetiyX0= 0,18

№ MtervalXl=8,0 AsymmetryXl= 0,20

IntervalX2= 770,0 AsymmetryX2= 0,18

IntervalX3=2,0 AsymmetiyX3= 0,03

IntervalX4=41,0 AsymmetryX4= 0,12

General asymmetry value Rx= = 137,19

General V value Vx= 1,51 10

Расстояние между центрами двух аттракторов движения ВСО юношей, не регулярно занимающихся спортом, до и после нагрузки составляет 20 = 410,98 Методом исключения отдельных признаков был выполнен системный синтез с помощью ЭВМ, который учитывает влияние X, признака (в нашем случае это параметры ВНС) на величину Ъ Было установлено, что более значительным является признак Х3 (показатель индекса Баевского - см таблицу 6), так как при его исключении существенно изменяется расстояние и составляет ЪЪ = 40,29

При анализе объемов аттракторов следует обратить внимание на параметр 110= 62,25 % (относительная погрешность), которая показывает степень изменения объема аттракторов для каждого кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства Анализируя этот параметр до и после нагрузки, у юношей не регулярно занимающихся спортом, можно отметить, что при исключении признаков наиболее значимым являются признаки Я1= 12,89% (показатель СИМ) и К3= 15,65 % (показатель индекса Баевского - см таблицу 6) , именно при их исключении объемы существенно уменьшаются

Можно отметить, что до и после нагрузки как для юношей, занимающихся игровыми видами спорта, так и для юношей не регулярно занимающихся спортом при исключении признаков более значительным является признак Х3 (показатель индекса Баевского - см таблицу 6), так как при его исключении существенно изменяется расстояние между центрами аттракторов Ъ При анализе объемов, так же более значимым для этих двух групп является исключение третьего признака

Таблица 5

Результаты анализа исключения отдельных признаков параметров аттракторов вектора состояния организма юношей, не регулярно занимающихся спортом до и после физической нагрузки

Объем первого аттрактора Объем второго аттрактора Различие между объемами аттракторов Относительная погрешность

Уу0 = 5,72 10" Ух0=1,51 10' <М=9,43 10" 110= 62,25 %

Уу1 =4,40 10" Ух1 =5,05 10" сМ=6,51104 Ю= 12,89%

Уу2=2,86 103 Ух2 = 1,89 10° сШ=1,6110ь 1*2=84,90%

УуЗ = 5,20 104 УхЗ = 1,97 104 сШ=2,86 10* Ю= 15,65%

Уу4= 1,43 10" Ух4 = 7,58 10й сШ=6,1510ь Я4= 81,13%

Уу5 = 1,14 103 Ух5 = 3,69 103 сМ5=2,55 105 И5= 69,05%

В целом, наблюдается определенная тенденция при сравнении Ях и объемов аттракторов параметров ВСО юношей, занимающихся игровыми видами спорта и не регулярно занимающихся спортом В покое, параметры находятся в достаточно узком интервале разброса друг относительно друга, а также, не наблюдается больших различий в показателе Ях, до нагрузки После нагрузки эта разница увеличивается согласно физической активности, чем ниже активность, тем меньше разница между исходными данными Так у студентов 1-ой группы эта разница увеличивается - с 9,98 1 05 до 3,1 107, а у второй - с 5, 72 106 до 1,51 107

Таблица 6

Расстояние (7) между центрами двух аттракторов движения вектора состояния органюма юношей до и после предъявления физической нагрузки

Игровые виды спорта Не тренированные

20 = 99,40 го=410,98

= 99,33 г\ =410,69

22=99,06 22=410,84

73 = 17,47 23=40,29

7А = 99,40 24 = 410,98

г5 = 98,28 25 ==409,44

Таким образом, данные показателей ВСО юношей до и после физической нагрузки, занимающихся игровыми видами спорта, отличаются от данных юношей не регулярно занимающихся весьма существенно (почти в 10 раз) по показателям асимметрии Также отмечается увеличение объемов аттракторов после предъявляемой нагрузки в 30 раз у юношей, занимающихся игровыми видами спорта и в 3 раза у юношей, не регулярно занимающихся спортом Это объясняется тем, что интенсивность нагрузок в игровых видах спорта выше, чем для студентов мужчин, не регулярно занимающихся спортом В этой связи можно говорить, что показатели статистической обработки отражают количественные показатели изменения параметров, а обработка данных в рамках теории хаоса и синергетики -качественные и количественные Причем методы ТХС дают более выраженные значения различий, чем традиционные статистические

Показатель 11х, после нагрузки так же зависит от уровня подготовленности, но в отличие от объемов аттракторов оказалось, что чем ниже уровень, тем разница между хаотическим и стохастическими

центрами больше Это так же подтверждается изменением объемов аттракторов после нагрузки по сравнению с исходными данными

Особенно это проявляется в различиях по концентрациям оксигемоглобина (БР02) в крови обследованных школьников В зимнее время среднее значение БР02 составило - 99,1%, а доля лиц, у которых этот показатель (8Р02) опустился ниже 97% по всем группам (с учетом возраста и пола) не превысила 2% Вместе с тем, обследование значений 8Р02 у учащихся, проживающих в средней полосе РФ (г Самара), этих же возрастных категорий, наоборот, показало, что процент лиц с БР02 выше 97% (по г Самаре) не превышает 3-4% (для разных возрастных и половых групп) Получается ситуация с точностью до наоборот

Таким образом, хоть количественные показатели, характеризующие КРС и НМС и являются косвенными, но они объективно отражают компенсаторные реакции НМС на стандартные физические тесты, дают объективную оценку возможностей НМС в зависимости от условий проживания (средняя полоса РФ и Север РФ) Существенно, что НМС человека на Севере в онтогенезе - это одна из наиболее уязвимых ФСО к существующим здесь экологическим факторам среды Особенно это касается гипокинезии и переохлаждения, которые вызывают атонию мышц или сильный тремор при переохлаждении

Основные результаты и выводы

1 Динамическая нагрузка мышц верхних конечностей вызывает сдвиг амплитудно - частотных характеристик треморограмм в окрестности 2 Гц в область более низких частот (у девочек это менее выражено, чем у мальчиков), а в области 10 Гц первоначально имеем усиление амплитуды (у девочек с 9 до 12 у е, а у мальчиков - сдвиг до 9 Гц и возрастание до 13 у е) Доказано, что именно диапазон до 15 Гц при этом наиболее информативен, а диапазон около 10 Гц является маркером пубертатного периода и маркером развития степени утомления

2 Выявлен характер связей между активацией нервно - мышечной системы (физической нагрузкой) и изменением параметров вектора состояния организма человека (для составляющей кардио -респираторной системы), а именно лица с низкой физической нагрузкой (с гипокинезией, нетренированные) имеют низкие значения СИМ и высокие значения ПАР, которые после физической нагрузки сильно возрастали (с 3,27 до 18,73 - СИМ) или уменьшались (с 14,2 до 3,4 - ПАР), что было более выражено в

сравнении со спортсменами (с 2,29 до 6,07 - СИМ и 19,86 до 16,64 -ПАР) Такие различия могут быть использованы для оценки степени развития гипокинезии у жителей Севера

3 Изменения параметров аттракторов вектора состояния организма человека в 5-ти мерном фазовом пространстве состояний более разительны, чем их статистические данные в отдельности у нетренированных юношей исходный объем Ух уже высокий (5,72 1 06) и увеличивается после нагрузки только в 3 раза (1,51 107), в то время как у тренированных исходный объем Уу низкий (9,98 1 05), но увеличивается после нагрузки значительно (3,1 107), т е почти в 2 раза сравнительно с нетренированными

4 Более выраженные изменения происходят с расстояниями Ъ между центрами аттракторов до и после нагрузки у нетренированных юношей (гипокинезия) Ъ составил 411 у е, а у тренированных - 99,4, что может быть эффективным показателем (маркером) степени детренированности (гипокинезии) в условиях Севера РФ

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1 В качестве маркера пубертатного периода и маркера развития степени утомления могут быть использованы спектральные характеристики непроизвольных движений верхних конечностей (тремора) при анализе интервала до 15 Гц и, в частности, около 10 Гц

2 Метод и программный продукт для идентификации параметров состояния КРС молодежи ХМАО-Югры можно использовать как эффективный показатель (маркер) степени гипокинезии, которая существенно влияет на качество жизни молодого населения ХМАО-Югры

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ в том числе:

Монография:

1 Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине Часть VI Системный анализ и синтез в изучении явлений синергизма при управлении гомеостазом организма в условиях саногенеза и патогенеза монография /Под редакцией А А Хадарцева, В М Еськова - Самара Офорт (гриф РАН), 2005 -С 1218

Статьи в журналах по списку ВАК:

1 Козлова, В В Сравнительный системный анализ показателей кардио - респираторной системы учащихся г Сургута и г Самары в рамках

теории хаоса /ИЛ Пшенцова, А В Хисамова, M А Филатов // Вестник новых медицинских технологий - 2007 - TXIV, №1 - С 29-31

2 Козлова, В В Состояние показателей непроизвольных движений учащихся в условиях физической нагрузки в разные сезоны года / M Я Брагинский, Ю Г Бурыкин, Е В Майстренко // Вестник новых медицинских технологий -2007 -TXIV, №1 -С 61-63

Статьи в других журналах и материалах конференций:

1 Гудкова, В В Установление зависимости между вегетососудистыми реакциями и показателями двигательных функций человека / В В Гудкова //III Конгресс молодых исследователей Западно -Сибирского Региона сб тезисов докладов - Сургут, 1999 - С 50

2 Гудкова, В В Использование пакета прикладных программ в медико-биологических исследованиях / В А Рачковская, А Ф Баева, И В Бисярина // Медико-биологические и экологические проблемы здоровья человека на Севере сб материалов Всероссийской научно-практической конференции - Сургут, 2000 - С 232

3 Козлова, В В Динамика изменения показателей двигательных функций в зависимости от возраста учащихся / С В Асташов, О И Кочурова, Е В Майстренко, О А Синюк // Экологический вестник Югории - 2004 - Т 1, № 3-4,- С 32-41

4 Козлова, В В Возможности теории фазатона мозга в объяснении особенностей регуляции функции организма человека на Севере РФ / О Е Филатова, В А Папшев, Е В Майстренко, Е А Мишина // Материалы XIV международной конференции по нейрокибернетике - Ростов-на-Дону, 2005 - С 222-226

5 Козлова, В В Возрастные закономерности показателей тремора учащихся г Сургута /ЕВ Майстренко, А А Глутцук, О В Климов // Экологическое образование и здоровый образ жизни мат-лы науч конф - Сургут, 2005 - С 115-117

6 Козлова, В В Показатели функциональных систем организма (ФСО) тренированных и нетренированных студентов Югры в аспекте теории хаоса и синергетики / О В Климов, H Б Попова, К А Шаманский, Т H Шипилова // Экологический вестник Югории -2005. - Т И, № 3-4 - С 42-50

7 Козлова, В В Показатели произвольных и непроизвольных движений учащихся, проживающих на Севере РФ / А А Глущук, О В Климов, Е В Майстренко // Наука и инновация XXI века мат-лы VI откр окр конф молодых ученых / Сургутский гос ун-т-Сургут, 2006 - С 198-199

г

8 Козлова, В В Влияние физической нагрузки на показатели кардио-респираторной и нейро-вегетативной системы человека в условиях Севера / В А Вишневский, О В Климов, С И Логинов, И.Э Юденко // Спасти и сохранить мат-лы откр окр конференции/ Сургутский гос ун-т - Сургут, 2006 -С 142-145

9 Козлова, В В Системный синтез параметров аттракторов состояния вегетативной нервной системы населения Югры / В M Еськов, Ю В Добрынин, О А Синюк, Е А Мишина // Нейронаука для медицины и психологии второй Международный междисциплинарный конгресс - Судак, 2006 - С 92-93

10 Козлова, В В Состояние показателей непроизвольных движений учащихся в условиях физической нагрузки в разные сезоны года / Ф И Аушева, Е В Майстренко // Наука и инновации XXI века мат-лы VII окр конф молодых ученых/ Сургутский гос ун-т - Сургут, 2007 -С 120-121

11 Козлова, В В Изучение показателей кардио-респираторной системы у спортсменов в рамках фазатонной теории мозга / К H Берестин, О В Климов, Е А Мишина, В В Лазарев // Естественные науки Вып 27 сб науч трудов - Сургут, 2007 - С 3 -8

12 Козлова, В В Особенности показателей функциональных систем организма учащихся в младших классах / О А Синюк, О И Кочурова // Экологический вестник Югории - 2007 -Т4, №1 -С 60-68

Формат 60x84/16 Объем 0,97 уч -изд л Тираж 60 экз Заказ №313 Отпечатано на ризографе в полиграфическом отделе СурГУ, 628400, г Сургу:, ул Лермонтова, 5 28

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

СИСТЕМ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА В РАМКАХ

КОМПАРТМЕНТНО-КЛАСТЕРНОГО ПОДХОДА

1.1. Характеристика экофакторов ХМАО-Югры в аспекте 10 регуляции нервно-мышечной и кардио-респираторной систем.

1.2. Компартментно-кластерный характер организации 22 движений. Особенности организации непроизвольных движений.

1.3. Системный анализ параметров кардио-респираторной 53 системы организма учащихся Севера РФ.

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Метод регистрации параметров карио-респираторной системы человека, используемый в работе.

2.2. Метод идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в т-мерном фазовом пространстве состояний.

2.3. Регистрация непроизвольных движений конечностей человека с помощью новых аппаратных и программных методов с учетом возрастных особенностей.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Сравнительная характеристика возрастных параметров 86 непроизвольных движений в условиях динамической нагрузки и без таковой для мальчиков и девочек.

3.2. Характеристика параметров непроизвольных движений в условиях статической нагрузки. 3.3. Анализ параметров аттракторов движения вектора состояния 119 организма тренированных и нетренированных испытуемых до и после предъявления физической нагрузки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

Гипокинезия - один из базовых факторов, влияющих на продолжительность и качество жизни любого человека, проживающего в условиях ХМАО-Югры. Малоподвижный образ жизни, проживание основной части жизни в условиях закрытых помещений и ограниченной подвижности порождает много проблем в организации и поддержании основных функций организма, как взрослого человека, так и детского организма. Особо остро эти вопросы возникают перед развивающимся организмом. Детско-юношеский период требует особой подвижности и физической нагрузки и именно этого не хватает в условиях Югры.

Очевидно, что происходящие негативные изменения в организме ребенка, подростка или молодого человека проще всего регистрировать на уровне изменений в состояниях функциональных систем организма (ФСО) и в первую очередь это касается нервно-мышечной системы (НМС) и кардио-респираторной системы (КРС). Характер этих изменений, возможность изучения корреляционных взаимоотношений этих ФСО в норме и при выполнении физических упражнений представляют несомненный интерес и для физиологов, и для специалистов в области экологии человека и даже просто для родителей, которые интересуются особенностями развития организма своего ребенка. Более того, такая информация может обеспечить прогноз развития жизни человека уже во взрослом состоянии, оценить качество жизни человека в условиях Севера. Именно эти проблемы и составляют основу настоящих исследований.

Отметим, что движения обеспечивают различные виды перемещений частей тела и всего тела человека в пространстве. К различным видам механических движений относится и широко распространенные колебательные движения. Механические колебания тканей являются одной из важных характеристик двигательных функций физиологических систем организма человека. Этот факт наиболее очевиден для КРС и НМС, нарушения деятельности в которых приводит не только к снижению уровня качества жизни, но и провоцирует развитие более тяжелой патологии.

Одним из показателей НМС является треморограмма конечностей. В разных условиях (и по данным разных авторов) частота тремора находится в пределах от 5 до 16 Гц, а амплитуда колебаний от 10 до 30 условных единиц (у.е.). Интерес к треморным колебаниям диктуется существованием большого количества гипотез о механизмах тремора, отсутствием единого, общепринятого взгляда на его происхождение и, кроме того, важными диагностическими оценками НМС. Спектральный анализ треморограмм дает возможность выполнить углубленное изучение тремора. В этой связи информационная значимость тремора весьма велика, т.к. с одной стороны он характеризует психофизиологические функции человека, а с другой -существует много аспектов биомеханического плана. Сюда относятся и степени свободы, и вязко-упругие свойства мышечной ткани и целый ряд других показателей биомеханики опорно-двигательного аппарата.

Глубокое понимание ¿механизмов управления движениями конечностей позволяет продвинуться и в вопросах диагностики двигательных расстройств (А.И. Скоринкин, 1991), и в проблеме совершенствования методик тренировки спортсменов и при изучении патологий нервно-мышечной системы (разделы неврологии, хирургии). Во всех этих случаях возникает необходимость в разработке адекватных методов получения и обработки информации о микроперемещенях тела человека или его частей.

Все это настоятельно требует организации специальных методов мониторинга состояния двигательных функций человека и НМС в целом. Именно в связи с важностью решения таких проблем производится разработка как новых методов исследования, так и методов обработки получаемой информации с помощью различных программных устройств.

Особый интерес представляют подобные исследования в рамках компарментно-кластерного подхода (ККП), когда можно поставить и решить проблему идентификации синергизма в работе отдельных мышц и мышечных систем. Эта проблема продолжает оставаться наиболее сложной и интересной не только в физиологии труда и спорта, но и в биофизике и физиологии в целом (В.Г. Зилов, H.A. Фудин (1992-2006), В.М. Есышв, A.A. Хадарцев (1996-2008)). Попытка формализовать эту проблему, подойти к ее решению с позиций точных количественных методов системного анализа и синтеза (САС) представляется весьма актуальной. Поэтому наиболее важной задачей в настоящих исследованиях является изучение в рамках ККП особенностей регуляции двигательных функций человека на Севере в условиях выполнения физических нагрузок и без таковых. Решение этой задачи выполняется с позиций теории хаоса и синергетики (ТХС) с использованием ККП и методов системного анализа.

В этой связи, целью настоящей работы является исследование закономерностей возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки методами системного анализа и синтеза.

Данная цель определила постановку и решение следующих задач исследования:

1. Изучить взаимосвязь между возрастными изменениями параметров НМС и спектральной характеристикой тремора конечностей и на этой основе выявить наиболее информативные составляющие спектра тремора при разных режимах нагрузки.

2. Установить характер связей между показателями НМС и КРС у лиц с различными видами нагрузки и степенью тренированности в рамках системного синтеза в условиях Севера РФ.

3. Выявить закономерности изменения параметров аттракторов вектора состояния организма человека (ВСОЧ) у тренированных и нетренированных молодых жителей ХМАО-Югры в условиях выполнения физических нагрузок и на этой основе оценить степень влияния гипокинезии на организм молодого человека в условиях Севера РФ.

4. Сравнить изменения математических параметров динамики ВСОЧ в фазовом пространстве состояний в условиях влияния мышечной нагрузки на организм с целью идентификации наличия маркера по оценке степени детренированности организма жителей Югры.

Научная новизна работы.

1. Изучена взаимосвязь между возрастными изменениями НМС и спектральной характеристикой тремора конечностей и на этой основе впервые выявлены наиболее информативные составляющие спектра тремора при разных режимах нагрузки в условиях Севера РФ.

2. С использованием методов ККП и ТХС установлен у лиц с разной степенью тренированности характер связей между показателями КРС и НМС при различных видах нагрузки.

3. В условиях выполнения физических нагрузок выявлены закономерности изменения параметров аттракторов вектора состояния организма тренированных и нетренированных молодых жителей ХМАО-Югры, а также произведена оценка степени влияния гипокинезии на организм в условиях Севера РФ.

4. С позиций компартментно-кластерного подхода разработаны математические критерии для оценки влияния мышечной нагрузки на параметры ВСОЧ.

Научно - практическая значимость.

Разработаны и внедрены в практику алгоритмы и программные продукты для анализа биомеханических показателей человека, которые позволяют более точно производить анализ нормального или патологического изменения треморограмм человека в условиях статических и динамических нагрузок и в зависимости от возрастных и половых особенностей регуляции движений. Разработанный биоизмерительный комплекс (БК) может быть использован в практической работе физиолога и медика для автоматизированной оценки двигательных функций (при профессиональном отборе, при допуске на работу и при контроле состояния человека-оператора; для оценки точности и координации целевых движений в спорте). Алгоритмы и компьютерные протраммы позволяют идентифицировать основные функции организма учащихся в различных климатических условиях, что обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма. Разработанные системные методы оценки показателей состояния вегетативной (симпатической и парасимпатической) нервной системы (ВНС) позволяют внедрять их в практику работы органов управления образования для оценки степени утомления учащихся в ходе учебы, выбирать оптимальную траекторию учебных нагрузок у учащихся по различным видам учебной деятельности.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста и состоит из "Введения", в котором обосновывается актуальность исследования возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки.

В первой главе представляется общая характеристика функциональных систем организма человека в рамках компаршенпю-класгерного подхода (рассматриваются вопросы организации непроизвольных движений человека с позиций компаргментно кластерного подхода, дается системный анализ параметров кардио-респираторной системы организма учащихся Севера РФ).

В главе "Объект и методы исследований" представляется объект исследования и уделяется внимание современным методам, рассматриваются оригинальные авторские методы, применяемые для исследования динамики параметров КРС, а также двигательных функций человека с использованием биоизмерительного комплекса; глава "Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение" посвящена исследованию параметров тремора и ВСОЧ у тренированных и нетренированных испытуемых до и после нагрузки, а также исследованию возрастных изменений показателей непроизвольных движений учащихся Югры в условиях статических и динамических нагрузок. Имеются выводы и приложения. Библиографический указатель содержит 168 источников, из которых 142 на русском языке и 26 иностранных. Текст диссертации иллюстрирован 25 таблицами и 22 рисунками.

выводы

1. Динамическая нагрузка мышц верхних конечностей вызывает сдвиг АЧХ треморограмм в окрестности 2 Гц в область более низких частот (у девочек это менее выражено, чем у мальчиков), а в области 10 Гц первоначально имеем усиление амплитуды (у девочек с 9 до 12 у.е., а у мальчиков - сдвиг до 9 Гц и возрастание до 13 у.е.). Доказано, что именно диапазон до 15 Гц при этом наиболее информативен, а диапазон около 10 Гц является маркером пубертатного периода и маркером развития степени утомления.

2. Выявлен характер связей между активацией нервно-мышечной системы (физической нагрузкой) и изменением параметров ВСОЧ (для составляющей кардио-респираторной системы), а именно: лица с низкой физической нагрузкой (с гипокинезией, нетренированные) имеют низкие значения симпатического отдела вегетативной нервной системы (СИМ) и высокие значения парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (ПАР), которые после физической нагрузки сильно возрастали (с 3,27 до 18,73 -СИМ) или уменьшались (с 14,2 до 3,4 - ПАР), что было более выражено в сравнении с тренированными лицами (с 2,29 до 6,07 - СИМ и 19,86 до 16,64 -ПАР). Такие различия могут быть использованы для оценки степени развития гипокинезии у жителей Севера.

3. Изменения параметров аттракторов ВСОЧ в 5-ти мерном фазовом пространстве состояний более разительны, чем их статистические данные в отдельности: у нетренированных юношей исходный объем Ух уже высокий

6 7

5, 72 ТО ) и увеличивается после нагрузки только в 3 раза (1,51 -10 ), в то время как у тренированных исходный объем Уу низкий (9,98Т05), но увеличивается после нагрузки значительно (3,1 -107), т.е. почти в 2 раза сравнительно с нетренированными.

4. Более выраженные изменения происходят с расстояниями Z между центрами аттракторов до и после нагрузки: у нетренированных юношей (гипокинезия) Z составило 411 у.е., а у тренированных - 99,4, что может быть эффективным показателем (маркером) степени детренированности (гипокинезии) в условиях Севера РФ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В качестве маркера пубертатного периода и маркера развития степени утомления могут быть использованы спектральные характеристики непроизвольных движений верхних конечностей (тремора) при анализе интервала до 15 Гц ив, частности около 10 Гц.

2. Метод и программный продукт для идентификации параметров состояния кардио-респираторной системы молодежи ХМАО-Югры можно использовать как эффективный показатель (маркер) степени гипокинезии, которая существенно влияет на качество жизни молодого населения ХМАО-Югры.

1. Авцын, А.П. Патология человека на Севере / А.П. Авцын, A.A. Жаворонков, А.Г. Марачев. - М.: Медицина, 1985. - 215 с.

2. Агаджаняп, H.A. Экология человека / H.A. Агаджанян, В.И. Торшин. -М.: КРУК, 1994.-256с.

3. Агаджанян, H.A. Экологический портрет человека на Севере / H.A. Агаджанян, Н.В. Ермакова. М.: КРУК, 1997. - 208 с.

4. Агаджанян, H.A. Основы физиологии человека / H.A. Агаджанян, И.Г. Власова, Н.В. Ермакова, В.И. Томин. М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2004 - С. 93 -108.

5. Адайкин, В.PI. Системный компартментно кластерный анализ и синтез в биомедицинских исследованиях параметров организма человека на Севере РФ / В.И. Адайкин, И.Ю. Добрынина, В.М. Еськов, С.И. Логинов // ВНМТ. - 2006.

6. Айзерман, М.А. О некоторых простейших механизмах управления скелетными мышцами /М.А. Айзерман, Е.А. Андреева // Исследование процессов управления мышечной активностью М.: Наука, 1970 - С. 5 -49.

7. Аксенов, В.В. Ритм сердца у школьника / В.В. Аксенов, A.M. Усынин, А.Н. Рагозин, Е.Г. Шерстнева // Итоговая научная конференция ЧГМА: сб. науч. трудов. Челябинск, 1998.- С. 97-98.

8. Алексеев, М.А. О механизмах координации ритмических движений / М.А. Алексеев, Н.В. Крылов, М.П. Лившиц, A.B. Найдель // Вопросы психологии. 1965. - № 5. - С. 82 - 97.

9. Анохин, П.К. Кибернетика функциональных систем / П.К. Анохин. М.: Медицина, 1998. - С. 256-265.

10. Антонец, В.А. Пьезоакселерометры ПАМТ /В.А. Антонец, Н.М. Анишкина// Вибро-акустические поля сложных объектов и их диагностика: сб. науч. трудов / ИПФ АН СССР. Горький, 1989.- С. 191203.

11. Антонец, В.А. Акселерометрическая стабилография / В.А. Антонец, Н.М. Анишкина, А.П. Ефимов, Г.В. Смирнов // Ортопедия, травматология и протезирование: сб. науч. трудов. Москва-Харьков: Медицина, 1991.-№ 1. - С. 55-56.

12. Антонец, В.А. Оценка функционального состояния опорно-двигательного аппарата человека по вибрациям, сопровождающим локомоционные акты / В.А. Антонец, Н.М. Анишкина, А.П. Ефимов. -Н.Новгород, 1992. С. 23-34.

13. Антонец, В.А. Оценка управления статическим напряжением скелетной мышцы по ее микродвижениям / В.А. Антонец, Э.П. Ковалева // Биофизика. 1996. - Т. 41, вып.З. - С. 711-717.

14. Антонец, В.А. Статистическое моделирование непроизвольных колебаний конечности /В.А. Антонец, Э.П. Ковалева// Биофизика. 1996. -Т. 41, вып.З. - С. 704-709.15.