1marchenko_t_m_red_chernobyl_ekologiya_chelovek_zdorov_e

В тоже время распространенность БСК среди ЛПА из Санкт-Петербурга была почти в 2 раза выше таковой в Ленинградской области и в 4-6 раза больше, чем на остальных территориях региона (рис.4).

Рис. 4. Уровни распространенности болезней системы кровообращения среди ЛПА из различных территорий СЗ региона на 2004 г. (на 1000).

В отличии от этого, распространенность болезней нервной системы среди ЛПА из Ленинградской области превысила аналогичные показатели на других территориях региона в 1,8 – 2,7 раза (рис 5.).

Рис. 5. Уровни распространенности болезней нервной системы среди ЛПА из различных территорий СЗ региона на 2004 г. (на 1000)

За период наблюдения инвалидами признано 38,6 % ЛПА. При этом частота выхода на инвалидность имеет выраженные территориальные отличия: максимальный ее уровень установлен в Ленинградской области 53,5% от всех состоящих на учете, что в 1,3 – 2,7 раза больше, чем на остальных территориях региона (рис.6). следует подчеркнуть, что в зависимости от дозы внешнего облучения показатели инвалидности имели менее выраженные отличия – от 1,2 до 1,5 раз.

Очень важным обстоятельством является тот факт, что структура инвалидности по классам болезней имеет выраженные различия в пределах одного региона (рис.7), что свидетельствует о принципиальном различии причинных факторов инвалидности на сопоставляемых территориях.

81

Рис. 6. Уровни общей инвалидности ЛПА, проживающих на различных территориях СЗ региона (на 100).

Рис. 7. Структура причин инвалидности ЛПА, проживающих на разных территориях СЗ региона.

Анализ повозрастных показателей смертности ЛПА из Санкт-Петербурга показал, что во всех возрастных группах их показатели уступали таковым мужского населения аналогичного возраста в 1,8 – 6,9 раза. При этом не было выявлено и различие повозрастных показателей смертности ЛПА и мужского населения от злокачественных новообразований. Структура причин смерти имеет принципиальные территориальные различия: в Калинградской области ведущей причиной смерти ЛПА явились травмы и отравления (39,1%), а на остальных территориях — БСК (вариабельность показателей от 36,4 до 45,4 %).

Таким образом, в результате проведенного исследования убедительной зависимости уровней заболеваемости, распространенности болезней, инвалидности и смертности ЛПА от полученной дозы внешнего облучения и периода работы на ЧАЭС не выявлено, а на указанные показатели общественного здоровья наибольшее влияние оказывали местные причинные факторы нерадиационной природы.

82

ОБ ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИХ ПРИНЦИПАХ

И КРИТЕРИЯХ УСТАНОВЛЕНИЯ ПРИЧИННОЙ СВЯЗИ

ЗАБОЛЕВАНИЙ, ИНВАЛИДНОСТИ И СМЕРТИ

С РАДИАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Е.С. СМОЛЯКОВ

Федеральное государственное учреждение здравоохранения «Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины МЧС России», г. Санкт-Петербург

За пятнадцатилетний период деятельности межведомственных экспертных советов (МЭС) по установлению причинной связи заболеваний, инвалидности и смерти с воздействием радиационных факторов неоднократно делались попытки использования единых методических подходов к решению экспертных вопросов. Накопленный опыт экспертной работы и анализ результатов экспертизы причинной связи ухудшения здоровья с радиационным воздействием позволяет сделать вывод о нецелесообразности разработки переч- ня заболеваний, обусловленных воздействием ионизирующей радиации. Наличие утвержденного на любом уровне перечня заболеваний, инициируемых воздействием радиации, предполагает положительное решение экспертных вопросов в безусловном порядке, если диагностированное заболевание входит в перечень. Сопоставление показателей установления причинной связи заболеваний, инвалидности и смерти с радиационным воздействием в среднем за все МЭС за периоды 1991-1998 и 1999-2004 г.г. свидетельствует о более высоком уровне научного обоснования принимаемых решений во втором периоде, когда МЭС руководствовались прямым действием Закона Российской Федерации «О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС», не опосредованным подзаконными актами в виде утвержденных перечней заболеваний, как это имело место в первом периоде.

Анализ литературных данных и результатов работы межведомственных экспертных советов по установлению причинной связи заболеваний, инвалидности и смерти граждан, подвергшихся воздействию радиационных факторов, свидетельствует об исключительной сложности ретроспективной диагностики и экспертизы лучевых поражений. В экспертной практике нередки случаи необоснованной диагностики острой и хронической лучевой болезни при данных радиационного анамнеза, исключающих накопление соответствующих доз облучения. Наблюдается тенденция относить практически все соматические заболевания у детей облученных родителей к генетическим последствиям воздействия ионизирующей радиации. Известны случаи ошибочной прижизненной диагностики онкологических заболеваний в медицинских уч- реждениях общего профиля, не подтвержденные впоследствие результатами патологоанатомического или судебно-медицинского исследований.

Использование какого-либо перечня заболеваний в качестве критерия установления причинной связи ущерба здоровью с воздействием радиационных

83

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА

ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Е.А. МАШИНЦОВ, А.Е.ЯКОВЛЕВ

Тульский государственный университет, г. Тула

В последнее время появляется все больше работ, в которых описываются явления и процессы, ранее никогда не входившие в сферу математических приложений. Одной из таких областей является исследование здоровья человека.

Надо отметить, что не существует специальной науки о здоровье, и его исследованием занимаются в рамках целого ряда наук. Поэтому эти исследования носят в основном частный характер, у них нет общей теоретической и методологической базы, а в специальной литературе можно найти более 20 определений понятия «здоровья». Их можно условно разделить на ряд групп. В частности, определение Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) наряду с некоторыми другими рассматривают здоровье как состояние, другие исследователи определяют здоровье как процесс, и, наконец, третьи указывают, что здоровье является некоторым интегрированным выражением (или комплексной величиной).

Несмотря на различие этих подходов, основным общепринятым обобщающим показателем здоровья человека является продолжительность жизни, а основным показателем ухудшения здоровья — сокращение продолжительности жизни.

Все подходы к исследованию здоровья человека можно разделить на индивидуальный (здоровье конкретного индивидуума) и общественный уровни. А математические модели, используемые в рамках этих подходов, классифицируются на «модели данных» и «модели систем». Модели данных с успехом используются ВОЗ, на них основаны традиционные показатели медицинской демографии и санитарной статистики.

Исследование здоровья человека в рамках моделей систем (или системных моделей) предполагает построение математической модели целостного организма человека, которая бы могла изменяться во времени, последовательно проходя стадии развития, старения и умирания. Такая задача не имела конструктивного решения вплоть до 1991 года, когда В. Н. Новосельцевым была предложена концепция «естественной технологии организма», в рамках которой была разработана базовая математическая модель организма человека. Эта модель и лежит в основе работы.

Задача настоящего исследования состоит в том, чтобы дать количественную оценку качества здоровья населения региона по критерию продолжительности жизни. При этом теоретической базой выступает математическая модель В. Н. Новосельцева, а методологической — математической моделирование, численные методы решения задач и геоинформационные технологии обработки информации. Кроме того, важным требованием является то,

85

что методика проведения такой оценки должна быть формализованным аппаратом для оценки качества здоровья населения лицом, принимающим решения по «проблемным» ситуациям в системе «Человек — Среда обитания».

Теоретическая основа работы — математическая модель В. Н. Новосельцева. В основе концепции «естественных технологий» лежит понимание организма человека как некоторой технологической схемы. В ней выделяются две подсистемы — кибернетическую (центральная нервная система) и физиологическую (совокупность функциональных подсистем). Для физиологической подсистемы характерны баланс веществ и энергии. В ней можно легко выделить оттоки и притоки как внутри системы, так и с внешней средой. В ходе жизнедеятельности баланс непрерывно нарушается и его поддержание осуществляется механизмом обеспечения устойчивости — гомеостазом.

Таким образом, сформулируем два ключевых свойства биосистемы. Вопервых, она является открытой; во-вторых она управляет энергетическими процессами. За этими двумя аспектами функционирования биосистемы стоят два типа процессов — первичные (это — энергетические процессы, обеспечивающие выполнение специфических функций биосистемы) и вторичные (направленные на восстановление непрерывно нарушаемого в ходе жизнедеятельности системы баланса вещества и энергии). Для описания первого аспекта успешно используется компартментальное моделирование, а

для описания второго — аппарат теории управления.

При описании биологических систем часто выделяют некоторые относительно независимые количества (объемы) веществ, участвующие в кинетиче- ских процессах как нечто целое, легко выделяемое из остальной системы — компартменты. Применительно к организму человека под компартментом понимается функциональная подсистема организма. Если некоторое вещество перемещается из одного компартмента в другой, темп изменения количества этого вещества для i-го компартмента определяется уравнением баланса. Тогда вектор состояния с компонентами, состоящими из уровней веществ в компартментах, описывает состояние системы в произвольный момент времени.

Каждый из вторичных процессов может описываться, вообще говоря, моделью произвольного вида, но в описание первичных процессов для каждого транспортного потока от каждого вторичного процесса войдет лишь скалярная функция F. Функции F являются индикаторами функционального состояния физиологических подсистем. Принимается, что в условиях «нормы» F=1, а при неблагоприятных условиях, возможно, их уменьшение вплоть до 0, что

âфизиологическом смысле означает смерть организма.

Âцелях моделирования жизненного цикла человека используется простейшее описание, где каждой организменной функции отвечает минимально необходимое число компартментов. В базовой математической модели Новосельцева выделены 4 основные физиологические системы — система легких; сердечно-сосудистая система и система крови, рассматриваемые совместно; а также система печени и система почек.

Модель описывает следующие основные организменные процессы:

1) Собственно процессы жизнедеятельности (синтез биополимеров, проведение нервного импульса, активность рецепторов, сокращение мышц и

86

т.п.) представлены переменной w — скоростью расходования энергии в организме.

2)Баланс энергии. Расход кислорода равен w, приток у1 обеспечивается системой дыхания, внутренний транспорт (поток y2) — сердечно-сосудистой системой и системой крови.

3)Баланс веществ строится для продуктов обмена - «организменных шлаков». Шлаки возникают со скоростью w в ходе жизненных процессов, их выведение осуществляется печенью (поток у3) и почками (поток y4).

Таким образом, запишем систему уравнений баланса относительно переменных состояния x1-x4 с начальными условиями, принятыми равными «норме».

Механизмы управления представлены соотношениями для транспортных потоков y. Здесь FH — функция состояния сердечно-сосудистой системы

èсистемы крови, FP — системы легких, а FL и FK — систем печени и почек соответственно. (Функции состояния физиологических систем F отражают снижение функциональности соответствующих физиологических систем в зависимости от изменения переменных состояния x1-x4. Каждая функция F состоит из двух компонент — функции вида F1 и функции вида F2, которые вносят свой вклад в зависимости от снижения уровня кислорода в легких x2 и увеличения общей зашлакованности организма M.)

После приведения соотношений модели к безразмерному виду к ней были применены методы качественного исследования динамических систем.

Точно аналитически была найдена особая точка типа устойчивый узел — с координатами , исследование фазового пространства решений в зависимости от изменения начальных условий проводилось на двумерных срезах 4-мерного фазового пространства с помощью компьютерного моделирования.

Было установлено, что при выборе особой точки в качестве начальных условий, система будет оставаться в ней как угодно долго, что означает, что здоровый организм при отсутствии естественного старения и патологий вследствие болезней будет жить вечно. При задании системе начальных условий из Областей 1 и 3 система возвращается в данную точку, что в физиологическом плане означает восстановление организмом “нормального” состояния — поддержание гомеостаза. При задании же большего начального отклонения от “нормального” состояния (Области 2 и 4) происходит необратимая потеря устойчивости, что в физиологической трактовке означает смерть.

Следующим шагом является математическое описание факторов старения, негативно влияющих на физиологический комплекс организма и определяющих результирующую продолжительность жизни. Факторы старения классифицируются на внутренние (генетически обусловленные, запрограммированные) и внешние (случайные, связанные с экологическими, социальными и другими условиями жизни). Их негативное влияние будет отражено в снижении функциональных способностей подсистем организма и тогда искомая ожидаемая продолжительность жизни может быть получена как момент времени t, при котором хотя бы одна функция состояния F не станет равна 0. Так как отказ любой из жизненно-важных систем влечет за собой смерть организма.

87

Рассмотрим далее оба класса факторов старения.

Внутренние факторы старения описываются функцией старения FA, которая имеет два параметра, определяемые в зависимости от пола человека. Параметр T1 — это возраст, начиная с которого функциональные способности здорового организма начинают снижаться под действием естественного старения. Параметр b определяет темп старения. Учтем, что эти факторы действуют одинаково на все физиологические системы организма. Включение их в базовую математическую модель позволяет моделировать “номинальную” продолжительность жизни абсолютно здорового человека, которая выбрана из условия 80 лет для мужчин и 90 для женщин (на основе возрастной периодизации Института возрастной физиологии АПН).

Задача включения в модель внешних факторов старения связана с мо- дельно-математическим анализом влияния на здоровье человека и продолжительность жизни патологических процессов, развивающихся в организме. В данной работе эта задача решена мною для экологических факторов старения, обусловленных загрязнением атмосферного воздуха R1 и питьевой воды R2.

Принимается, что “нормальное” состояние экологии отвечает 100%, а степень загрязнения среды оценивается в условных единицах процентного превышения нормального уровня. Предположим, что фактор R1 влияет только на состояние легочной системы, а фактор R2 “ухудшает” состояние систем пече- ни почек. Тогда для каждого фактора R и подсистемы, на которую он влияет, введем обобщенную величину, характеризующую темп развития патологиче- ского состояния Pi. “Нулю” соответствует “нормальное” состояние, при котором патология отсутствует. Начальные условия уравнения для определения Pi соответствуют “нормальному” состоянию. В свою очередь, патологическое состояние физиологической системы приводит к снижению ее функции, при- чем степень снижения пропорциональна P.

Таким образом, математическая модель дополняется блоком описания двух экологических факторов старения.

Расчет комплексных экологических показателей качества атмосферного воздуха R1 и питьевой воды R2 целесообразно проводить на основе конце ции гигиенического нормирования. В общем случае имеется n-мерный вектор концентраций загрязняющих веществ атмосферного воздуха и m-мерный

— по питьевой воде. В соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами для каждой концентрации можно определить табличную величину — пре- дельно-допустимую концентрацию и воспользоваться известными формулами расчета суммарных показателей загрязнения атмосферного воздуха и питьевой воды.

Весь комплекс внешних факторов старения, оказывающих негативное влияние на организм человека и сокращающих ожидаемую продолжительность жизни, можно структурно разделить на 4 основных блока. Это — экологические факторы старения, социально-экономические, жилищно-комму- нальные, а также факторы образа жизни. Рассмотрение трех последних выходит за рамки данной работы, поэтому весь комплекс этих факторов услов-

но обозначим в виде одного показателя Rдругое. (Предполагая, что фактор Rдругое оказывает одинаковое негативное влияние на все подсистемы орга-

88

низма, включаем его по известной схеме в правую часть системы. И тогда его численное значение можно получить исходя из условия равенства наблюдаемой статистической и рассчитанной по модели ожидаемой продолжительно-

сти жизни. При этом Rдругое рассчитывается раздельно для обоих полов.). Если построить график соответствующей зависимости, то можно увидеть,

как с увеличением экологического загрязнения (факторы R1 è R2) будет уменьшаться ожидаемая продолжительность жизни L.

Наконец, перейдем к прикладной части. Сформулируемметодику оценки качества здоровья населения по критерию продолжительности жизни.

Входными данными является набор показателей качества среды обитания, характеризующих экологическое загрязнение атмосферного воздуха и питьевой воды. Численная величина ОПЖ рассчитывается с помощью математической модели, которая позволяет оценивать негативное влияние этих факторов среды обитания на организм в потерянных годах жизни. И, наконец, используя значение цены одного потерянного года жизни, натуральные показатели ущерба здоровью переводятся в денежные.

Данная методика позволяет формировать управленческие решения и оценивать их эффективность с использованием современных геоинформационных технологий.

Схема технологии выработки управленческих решений включает в себя методику как независимый от прикладной задачи подблок. При анализе проблемных ситуаций в системе «Человек–Среда Обитания» ЛПР может рассматривать ее как «черный ящик», оперируя лишь входными и выходными параметрами. В практическом плане данная методика была применена мною для решения трех задач в системе «Человек-Среда Обитания» на примере г. Тула.

Первая задача — об оценке ущерба здоровью населения г.Тула неблагоприятной экологической обстановкой. Исходные данные представлены 27 показателями трех категорий — данные о смертности населения, данные о каче- стве атмосферного воздуха и питьевой воды. Предварительная обработка данных заключается в получении комплексных экологических показателей каче- ства атмосферного воздуха R1 и питьевой воды R2.

Результаты предварительной обработки данных по городу были представлены в виде тематических карт. Далее полученные значения факторов R1 è R2 используются для расчета ожидаемой продолжительности жизни. (Качество атмосферного воздуха по городу в значительной степени зависит от промышленных загрязнителей в результате деятельности предприятий и выбросов автотранспорта. В то же время, качество питьевой воды определяется состоянием системы водоснабжении города, которое сильно различа- ется в зависимости от района.)

Средняя расчетная продолжительность жизни мужчин и женщин по городу равна 72 и 78,9 лет, соответственно. Это, в свою очередь, составляет 8 и 11,1 потерянных лет жизни, обусловленных негативным влиянием загрязнения атмосферного воздуха и питьевой воды. Было показано, что наибольший ущерб здоровью наносится жителям Пролетарского района (К-39, К-40), Косой горы (К-1, К-8), Мясново (К-4) и Центрального района (К-18, К-25).

89

Величины расчетной продолжительности жизни, полученные для каждого элемента территории, превышают соответствующие статистические вели- чины продолжительности жизни. Это обуславливается тем, что построенная модель описывает влияние только двух внешних факторов среды обитания на здоровье человека. Превышение расчетной величины по отношению к статистической определяется вкладом фактора Rдругое.

Далее, вторая прикладная задача — прогнозная оценка продолжительности жизни населения г. Тула. На основе анализа структуры загрязнения атмосферного воздуха г. Тула моделируется управленческое решение, направленное на сокращение выбросов в атмосферу основных веществ-загрязните- лей (соединений металлов Cu, Al, Fe, K). Положительный эффект оценивается в приросте продолжительности жизни.

Согласно методике, на первом этапе по скорректированным исходным данным был рассчитаны новые значения показателя качества атмосферного воздуха R1*. Затем, рассчитаны прогнозные значения продолжительности жизни мужчин и продолжительности жизни женщин.

И, наконец, оценен общий прирост ожидаемой продолжительности жизни по г. Тула. Главным результатом стало суммарное значение в 2,3 млн. лет общего прироста ОПЖ населения г. Тула в ответ на моделируемое управленче- ское решение. С учетом плотности населения прирост ОПЖ достигает своих максимальных значений в Пролетарском (К-40) и Центральном районах (К- 18), где он составляет приблизительно 637 и 359 тыс. лет, соответственно.

Далее рассмотрим третью прикладную задачу. Задача об оценке качества среды обитания по состоянию здоровья населения является по сути «обратной» задачей. Она поставлена так, чтобы оценить качество атмосферного воздуха г. Тула за целевой период 2000–1ый квартал 2004гг. по известным данным за 1993–1997гг. и в зависимости от известного изменения СПЖ населения за указанные периоды. Цель исследования заключалась в нахождении значения безразмерного показателя качества атмосферного воздуха R1* за целевой период и последующем определении по нему ингредиентных концентраций веществ-загрязнителей. Схема решения включает в себя расчет гранич- ных значений R1 для обоих полов. Искомая R1* — это величина в ограниченной области, при которой достигается минимум суммы квадратов отклонений расчетной ОПЖ от наблюдаемой (статистической). Для нахождения R1* с заданной точностью применен метод золотого сечения.

Âитоге, построена тематическая карта распределения аэрозолей металлов

âатмосферном воздухе за целевой период. Экологическое состояние атмосферного воздуха за данный период улучшилось по сравнению с исходным:

среднее значение R1 по городу уменьшилось с 111,09% до 110,52%. Этот результат хорошо согласуется с наблюдаемым увеличением статистической ПЖ. А именно: мужчины стали жить в среднем 61,7 лет по сравнению с 57,07 годами, а женщины — 74,33 года по сравнению с 68 годами за указанные периоды.

Проведенное исследование было бы не полным без оценки социальноэкономического ущерба здоровью населения. Для этого была применена существующая методика, главным результатом которой является значение це-

90