Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

72

компонент. Если система дыхания открыта, то она имеет две степени свободы, а если закрыта – одну степень свободы. Система закрыта, если дыхательные пути перекрыты надгортанником или клапаном,

ведущим в мундштук или загубник. При этом объем воздуха в легких остается постоянным и измене-

ние объема одной компоненты по величине равно, а по знаку противоположно изменению объема другой компоненты.

Возможны различные виды нелинейности системы дыхания. Если измеряются линейные разме-

ры (перемещения, периметры) абдоминального и торакального участков грудной стенки, то почти неизбежна геометрическая нелинейность, т.к. при постоянной форме тела его объем пропорционален третьей степени его линейных размеров. Система может оказаться более-менее линейной, если одно-

временно с изменением размеров изменяется форма тела.

Проведем оценку возможной геометрической нелинейности. Для этого представим грудную

V2/ V1=0,1

т.е. квадратичные эффекты по порядку величины равны 10%.

Экспериментальное исследование зависимости объема компонент от линейного перемещения подтверждает, что при спокойном дыхании система дыхания имеет две степени свободы и является линейной [182]. Однако во время усиленных или нестандартных дыхательных усилиях изменяется форма поперечного сечения грудной клетки и изменяются относительные перемещения верхнего и нижнего участков реберного каркаса. В этом случает одного параметра недостаточно для оценки из-

менений объема торакальной компоненты. Одновременное измерение передне-заднего и трансвер-

сального диаметров может улучшить точность измерений объема [133]. Таким образом, в этом случае у системы дыхания появляется третья степень свободы.

73

2.2.4. Методы исследования движений грудной клетки и калибровки

Прямое контактное измерение перемещений (Konno, Mead, 1967) описано выше. Этот метод

был первым точным количественным методом измерения перемещений грудной клетки и брюшной

стенки. Из-за трудоемкости был вытеснен другими методами.

Измерение с помощью магнетометров, состоящих из двух индукционных катушек [188].

Индукционные катушки магнетометров прикрепляются к передней и задней поверхности тела на уровне груди и живота. Электрическое напряжение в соответствующих цепях зависит от расстояния между катушками. Магнетометры были первыми приборами, которые выпускались серийно и исполь-

зовались для измерения перемещений грудной клетки и брюшной стенки. При крайних маневрах (в

объеме ЖЕЛ) иногда ставят еще пару катушек на правом и левом боках грудной клетки для измерения трансверсального диаметра грудной клетки. Магнетометры являются нелинейными приборами, так как напряженность магнитного поля снижается пропорционально третьей степени расстояния от ка-

тушки индуктивности.

Грудная клетка внутри катушки индуктивности [204]. Вокруг верхней части тела человека размещали две катушки индуктивности, имеющие формы квадратов со стороной 2 м. Напряжение в каждой катушке пропорционально площади поперечного участка тела, охватываемого этой катуш-

кой. Измеряя напряжения в катушках торакального и абдоминального участков, добились хорошего совпадения между реальным объемом и легких и величиной, полученной данным методом. Линей-

ность соотношений между напряжениями и объемами компонент лучше, чем линейность соотноше-

ний между периметрами и объемами компонент.

Оптические (оптоэлектронные системы). Этот метод получил название ОЭП – оптоэлектрон-

ная плетизмография. Метод дорогой, сложный, поэтому пока больше используется для исследований,

хотя клинические применения метода интенсивно расширяются. Используя этот метод, в работе [156]

применили отражающие маркеры (89 для сидящего и 68 для лежащего на спине человека), рис.2.14.

Трехмерное положение каждого маркера измеряли с частотой 100 Гц с помощью трехмерного анали-

затора перемещения (ELITE System, BTS, Италия). Использовали 4 видеокамеры, две сзади и две спе-

реди вокруг сидящего человека или две справа и две слева вокруг лежащего на спине человека. Объем грудной клетки вычисляли следующим образом: соединяли маркеры треугольниками, вычисляли объ-

74

ем, окруженный всеми этими треугольниками. С помощью этого метода пространственная картина перемещения поверхности может быть определена с большой точностью.

В некоторых системах используют меньшее количество телевизионных камер. Так, с помощью двух телевизионных камер с помощью трехмерного анализатора перемещения (ELITE System, BTS,

Milano, Italy) регистрировали трехмерное перемещение 36 маркеров, расположенных на поверхности грудной клетки. Так как использовали только две камеры, то для регистрации x-y-z–координат приме-

няли пять последовательных вращений человека [145]

Рис. 2.14. ОЭП – оптоэлектронная плетизмография

Измерение периметра грудной стенки. Данный метод называется методом пневмографии и реализуется с помощью несколько вариантов датчиков периметра грудной стенки. В первых вариан-

тах использовали трубки, заполненные углем или ртутью. Их сопротивление изменялось при измене-

нии длины трубки. В настоящее время используются различные материалы типа металлизированной резины, электрические свойства которых изменяются при деформации. Эти приборы в основном предназначены для качественных измерений, например, частоты дыхания [133]. Они дают большую ошибку в измерении дыхательного объема и вентиляции, если человек совершает нестандартные ды-

хательные движения. Метод пневмографии начал использоваться давно для грубого неколичественно-

го контроля дыхательных движений. Еще во время космического полета Юрия Гагарина по каналам телеметрии на Землю передавали сигнал его пневмограммы.

75

В последние годы В.И. Миняев и другие сотрудники Тверского госуниверситета с помощью пневмографов провели широкие исследования роли абдоминального и торакального дыхания в раз-

личных регуляторных процессах [70].

Respitrace – индукционный плетизмограф. В устройстве Respitrace (индукционный плетизмо-

граф) используют эластичные пояса, охватывающие реберную клетку и брюшную стенку. Сигналы катушек индуктивности, встроенных в пояса, примерно пропорциональны площади поперечного се-

чения участков грудной стенки. В одном из вариантов устройства [144] измеряется индуктивность двух проводов, вмонтированных зигзагообразно в «трико» вокруг торакального и абдоминального участков тела. Поскольку сигналы датчиков пропорциональны не линейному размеру, а площади охватываемых участков, то обеспечивается неплохая пропорциональность сигналов и измеряемых объемных изменений компонент. Точность измерения вентиляции составляет ± 5% от показаний спи-

рометра.

Методы калибровки. Методам калибровки приборов, предназначенных для измерения вкладов торакальной и абдоминальной компонент в дыхательный объем, посвящено много статей [133, 167, 217]. Рассмотрим основные методы калибровки.

Изоволюмический метод. Этот метод основан на следующих положениях:

1.Изменение объема легких dV равно сумме изменений объемов торакальной dVt и абдоми-

нальной dVab компонент: dV = dVt + dVab

2. Изменения объема торакальной и абдоминальной компонент линейно пропорциональны изменению линейных размеров тела или изменению другой измеряемой физической величины, харак-

теризующей объем компоненты (например – индуктивности). Здесь эти изменения обозначим как из-

менения периметра грудного dLt и абдоминального dLab компартментов: dVt = Kt dLt, dVab = Kab dLab. 3. Коэффициенты Kt, Kab у разных людей могут быть разными, но у каждого человека они

постоянны и не зависят от характера дыхательных движений.

Поэтому полное изменение объема легких равно dV = Kt dLt + Kab dLab = Kab [Ktab dLt + dLab],

где Ktab

77

В литературе описано несколько моделей механики дыхания, в которых грудная стенка рассмат-

ривается как система, состоящая из нескольких компартментов [136, 152, 184]. На рис. 2.15 представ-

лена модель, объясняющая действие положения тела относительно силы тяжести, невесомости и гра-

витационных перегрузок на абдоминальную и торакальную компоненты объема легких.

Рис. 2.15. Модель действия осевых ускорений на систему дыхания [184]

В работе [246] модели грудной клетки в виде двух и трех компартментов рассмотрены на ос-

нове теории линейных систем. В двухкомпартментной модели двумя степенями свободы являются объем реберной клетки и абдоминальный объем. В трехкомпартментной модели добавлен объем же-

лудка, что позволяет трактовать данные о давлении в желудке. Силы, приложенные к реберной клетке и брюшной стенке, выражены через энергию упругой деформации. Функция энергии деформации яв-

ляется квадратичной формой от переменных моделей. Приведены примеры использования моделей.

В моделях [200] и [136] представлен анализ сил и перемещений. Выделены реберная клетка,

диафрагма и брюшная стенка. Проанализированы нормальное дыхание, маневр Мюллера (вдох при перекрытых дыхательных путях), парадоксальное дыхание (реберная клетка сокращается, грудная клетка расширяется), наблюдаемое при квадриплегии и у новорожденных.

2.2.6. Эксперименты и факты.

Положение тела человека относительно вектора гравитации существенно влияет на абдоминаль-

ную и торакальную компоненты механики дыхания [65]. При спокойном дыхании и вертикальном по-

ложении тела человека в дыхательном объеме преобладает вклад торакальной компоненты, а в гори-

зонтальном положении – вклад абдоминальной компоненты [182, 202, 148].

78

Впервые исследования относительного вклада грудной и брюшной компонент на большой груп-

пе добровольцев, состоящей из 81 человека, провели в работе [202]. Использовали метод Konno, Mead

и дыхательные магнетометры. Результаты исследования показали, что величины вклада торакального компонента в полный дыхательный объем Vrc/ΔVw в положениях лежа и сидя соответственно соста-

вили: у 32 мужчин молодого и среднего возраста 25±4% (SD) и 72±3%, у 29 женщин (молодых и сред-

него возраста) 28±4% и 61±4%, у 20 пожилых мужчин 21±3% и 74±3%. При быстрых дыхательных маневрах увеличивается вклад торакальной компоненты. По-видимому, это означает, что мышцы грудной клетки действуют быстрее, чем диафрагмальная и брюшные мышцы. В [202] указанона от-

сутствие половых и возрастных различий. Вывод об отсутствии половых отличий следует подчерк-

нуть. Из приведенных выше значений Vrc/ΔVw видно, что в положении лежа отличий нет, а в поло-

жении сидя вклад грудной клетки у женщин примерно на 10% меньше, чем у мужчин, т.е. в положе-

нии сидя у женщин меньше тенденция к торакальному дыханию. По-видимому, статистически эта тенденция не очень достоверна, поэтому авторы сделали вывод об отсутствии половых различий. Есть значительные индивидуальные различия. При обследовании не очень больших групп людей эти раз-

личия после усреднения по половому признаку могут дать кажущееся половое различие.

Многочисленными исследованиями выявлены различные реакции компонент на управление и функциональные нагрузки [66, 70, 207, 205, 143].

Отдельно выделим вопрос о разбиении дыхательного аппарата на компоненты в механике высо-

кочастотных колебаний легких. Измерения пространственного распределения передаточного импе-

данса системы дыхания были проведены в работе [212] с помощью оптоэлектронного регистратора трехмерных движений. Для этого 68 отражающих маркеров помещали на поверхность грудной клетки и брюшной стенки здоровых людей и одновременно измеряли их перемещение, создавая синусои-

дальные колебания давления в полости рта в диапазоне 4-12 Гц. Люди находились в положении лежа на спине. Измерения показали, что маркеры на реберной клетке перемещаются синхронно, а на брюшной стенке видна волна, распространяющаяся по направлению к ногам. На частоте свыше 4 Гц амплитуда перемещения реберной клетки намного больше, чем брюшной стенки, т.е. передаточный импеданс брюшной стенки намного больше, чем передаточный импеданс реберной клетки. Это озна-

чает, что на частотах 8 Гц и выше передаточный импеданс характеризует в основном механику ребер-

79

ной клетки. На частотах свыше 4 Гц колебания поверхности брюшной стенки часто сдвинуты на 180

градусов по отношению к колебаниям ротового давления.

Таким образом, на частотах свыше 4 Гц у грудной стенки (точнее у ее одной, абдоминальной компоненты) проявляется поведение, характерное для системы с распределенными параметрами.

С помощью оптоэлектронного метода регистрации трехмерных движений грудной клетки также показано, что при выделении 3-х компонент (легочная грудная клетка, брюшная грудная клетка и брюшная стенка), все 3 компоненты являются независимыми, т.е. система обладает 3-мя степенями свободы [160]. При таком выделении компонент легочной и брюшной грудной клеткой соответствен-

но называют участки грудной клетки, прилегающие к легким и брюшной полости.

2.2.7. Невесомость и гравитационные перегрузки.

Как и изменение положения тела при нормальной силе тяжести, изменение силы тяжести сильно влияет на механику дыхания. В частности, изменяются вклад торакальной и абдоминальной компо-

нент в дыхательные движения, растяжимости торакального и абдоминального компартментов. Этот эффект был экспериментально исследован во время полетов по параболе Кеплера и во время космиче-

ских полетов разной продолжительности.

На рис. 2.16. представлено влияние невесомости на вклад абдоминальной компоненты в дыха-

тельный объем [144]. Видно, что в ходе кратковременной невесомости в параболических полетах зна-

чительно возрастает вклад абдоминальной компоненты. В ходе 10-дневного полета D2 этот вклад воз-

растал примерно также.

80

Рис. 2.16. Влияние невесомости на вклад абдоминальной компоненты в дыхательный объем

[144]. 1G – измерения на Земле в положении сидя перед полетом, μG – невесомость. Указан разброс данных SE. Звездочками показаны значимые различия по отношению к вертикальному положению при нормальной силе тяжести (** Р < 0,01 , *** P < 0, 001). По оси ординат – доля абдоминальной компоненты в дыхательном объеме, %. По оси абсцисс указан полет, в котором получены соответ-

ствующие данные: два полета по параболе Кеплера, полет космической лаборатории D2 на корабле

Space shuttle (США) и полет «Евромир-95» на космической станции «Мир» (Россия).

В ходе долговременного пребывания в невесомости вклады компонент в дыхательный объем значимо не изменялись (рис. 2.17). Хотя в первый день после полета доля абдоминальной компоненты была выше, чем перед полетом и в последующие дни после полета.