Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный
advertisement
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем Российской академии наук На правах рукописи Ермолаев Евгений Сергеевич Особенности реакции кардиореспираторной системы человека на гипоксию и гиперкапнию при различных положениях тела 03.03.01 – физиология 01.02.08 – биомеханика Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научные руководители: д.м.н. Суворов А.В. д.т.н. Дьяченко А.И. Москва 2015 год 2 Содержание Содержание 2 Введение 4 Цель и задачи работы 6 Положения, выносимые на защиту 10 Глава 1. Обзор литературы 11 1.1. Регуляция дыхания 11 1.2. Центральные и периферические хеморецепторы 15 1.3. Исследование вентиляционной реакции на гипоксию и гиперкапнию 23 1.4. Влияние условий микрогравитации и нормальной гравитации на вентиляционную реакцию 37 1.5. Актуальность клинических исследований механизмов регуляции дыхания 54 1.6. Анализ современного стендового испытательного оборудования и технологий исследования хемочувствительности 58 Глава 2. Методологические рекомендации по проведению исследований на базе аппаратно-программного комплекса для исследования хемочувствительности 64 2.1. Разработка аппаратно-программного комплекса для исследования хемочувствительности 64 2.2. Методика исследования вентиляционной реакции 73 Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 78 3.1. Вентиляционная реакция респираторной системы человека на хеморецептивные стимулы при различных положениях тела 78 3.2. Вентиляционная реакция респираторной системы человека на измененную дыхательную газовую смесь 90 Глава 4. Математическая модель биотехнической системы 99 «кардиореспираторная программный комплекс» система человека и аппаратно- 3 4.1. Разработка математической модели. Теоретическое обоснование 99 4.2. Выбор параметров модели 109 4.3. Исследование времени выравнивания содержания углекислого газа и 123 кислорода между выделенными резервуарами 4.4. Влияние антиортостатического положения тела человека на 128 регуляцию дыхания Заключение и практические рекомендации по разработке космического варианта комплекса 133 Выводы 135 Список обозначений и сокращений 137 Список литературы 139 Приложение 153 4 Введение Существует целый ряд важных профессий, в которых дыхание человека происходит в условиях с измененной газовой средой. Развитие авиации и космонавтики, освоение глубин Мирового океана, водолазные работы, пребывание в герметичных помещениях, а также использование индивидуальных средств защиты требует пристального внимания специалистов к физиологическим проблемам, связанным с воздействием гиперкапнии и гипоксии на организм человека. Известно, что в условиях микрогравитации изменяются механические свойства легких и грудной клетки. Измерение параметров форсированного дыхания у астронавтов показало, что по сравнению с вертикальным положением тела происходит небольшое снижение форсированной жизненной емкости и форсированного объема выдоха за 1 секунду, как в горизонтальном положении тела (1G), так и во время космического полета [Prisk et al., 1993; Prisk et al., 1995]. Однако механизмы изменения дыхательной функции во время длительных космических полетов остаются недостаточно изученными. В исследованиях с участием космонавтов до, во время и после 6-месячного пребывания на Международной космической станции (в 2007-2009 гг) было обнаружено, что во время полета происходило снижение частоты дыхания (около 25%) и длительности дыхательного цикла, а также увеличение продолжительности задержки дыхания [Baranov et al., 2009]. Особенно важно отметить следующее: 1. Легочные объемы, потоки, вентиляция легких не изменяются при продолжительном космическом полете, что согласуется с ранее полученными результатами. Неизменность вентиляции легких предполагает отсутствие существенных изменений дыхательного стимула. 2. Впервые отмеченное увеличение продолжительности задержки дыхания, уменьшение вариабельности частоты дыхания и продолжительности 5 дыхательного цикла во время длительных орбитальных полетов могут быть вызваны изменениями в регуляции дыхания. Межсистемные взаимозависимые реакции сердечно-сосудистой и дыхательной систем занимают особое место в исследовании физиологического действия фактора гравитации [Донина и др., 2013]. Хорошо известно, что изменения в сердечно-сосудистой системе непосредственно влияют на регуляцию дыхания. В своей лекции Нобелевский лауреат Corneille Heymans отметил, что «изменение артериального давления оказывает влияние на дыхательные центры … посредством рефлекторных механизмов со стороны рецепторов синокаротидных зон и аортальных синусов» [Heymans, 1965]. Одной из возможных причин изменения регуляции дыхания может быть изменение состояния периферических хеморецепторов, находящихся в синокаротидном синусе. Кроме того, в синокаротидном синусе находятся рецепторы, реагирующие на величину артериального давления крови. Артериальное давление крови в синокаротидном синусе в условиях микрогравитации больше, чем на Земле, что неизбежно снижает импульсацию от этих рецепторов, что в свою очередь может снизить чувствительность периферического хеморефлекса [Баранов, 2006]. Необходимо также упомянуть о несколько увеличенном содержании CO2 на МКС. Таким образом, измерение параметров хеморегуляции системы дыхания в ходе длительного космического полета представляет важную фундаментальную и практическую задачу для настоящих и будущих космических экспериментов. Необходимость разработки соответствующих методик и аппаратуры определили цель и задачи данной диссертационной работы. 6 Цель и задачи работы Цель работы: Исследования динамики реакции системы дыхания человека на изменение состава дыхательной газовой смеси в условиях моделируемой невесомости с помощью разрабатываемого аппаратно-программного комплекса. Задачи работы: 1. Выбор отражающих и обоснование хемочувствительность наиболее информативных дыхания человека параметров, в условиях микрогравитации. 2. Исследование динамики реакции кардиореспираторной системы человека на измененные дыхательные газовые смеси в различных положениях тела с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса. 3. Разработка и создание аппаратно-программного комплекса для изучения вентиляционной реакции системы дыхания. 4. Разработка математической модели функционирования биотехнической системы, включающей кардиореспираторную систему человека и аппаратно-программный комплекс для исследования вентиляционной реакции системы дыхания. 5. Анализ результатов и подготовка рекомендаций по разработке космического варианта комплекса и методов исследования хемочувствительности применительно к условиям микрогравитации. 7 Научная новизна исследования Впервые установлено, что реакция дыхательного объема на гиперкапническо-гипоксический стимул более чувствительна к постуральным изменениям, чем вентиляционная реакция (ВР). На основании этого рекомендуется включить этот параметр в число основных физиологических параметров, измеряемых в условиях космического полета. Впервые было предложено техническое решение аппаратно-программного комплекса (АПК), предназначенного для исследования системы регуляции дыхания человека с учетом ограничения применения газовых баллонов высокого давления на борту космической станции. Аппаратно-программный комплекс был успешно испытан в сериях экспериментов по исследованию особенностей вентиляционных реакций в условиях моделируемой невесомости, а также влияние измененных дыхательных газовых смесей (ДГС) на регуляцию дыхания. Показано, что предложенная математическая модель биотехнической системы (БТС), включающей кардиореспираторную систему человека и аппаратно - программный комплекс для исследования регуляции дыхания, позволяет сопоставлять результаты, полученные в тестах с возвратным дыханием (ВД) с использованием отличающихся методик. Разработанные методики исследования регуляции дыхания человека можно использовать в условиях космического полета на борту космического корабля. Теоретическое и практическое значение работы Полученные данные расширяют существующие в настоящее время представления о регуляции дыхания в процессе адаптации организма человека к условиям космического полета и другим экстремальным факторам окружающей среды. Изучение особенностей механизмов регуляции дыхания в условиях моделируемой невесомости вносит весомый вклад в развитие теоретических основ физиологии и космической медицины. Существенную теоретическую и практическую значимость представляют данные, полученные при исследовании влияния положения тела и длительного 8 воздействия гипоксии на регуляцию дыхания человека. Физиологическое обоснование применяемых для этого методик может быть полезным для практики космической физиологии и медицины в целях применения данных методов для решения научных, экспертных, прогностических и тренировочных медикобиологических задач во время космического полета. Разработанные аппаратно-программный комплекс и математическая модель биотехнической системы позволили отработать методику изучения регуляции дыхания человека в невесомости, автоматизировать процесс исследования и решить проблему плохой сопоставимости результатов, полученных различными методиками. Это повысит эффективность работы космических биологов и снизит риски, связанные с исследовательской работой на борту космического корабля. Совокупность полученных данных расширяет представления о возможных изменениях в системе дыхания в условиях длительных космических полетов, например, в ходе экспедиций на Марс. Апробация работы Основные результаты работы были доложены: на 13-й научно-технической конференции «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Испания, о. Майорка, 28 сентября – 2 октября, 2011 г); на международной конференции «7 Российско-Баварская конференция по биомедицинской инженерии» (Бавария, г. Эрланген, 10-14 октября, 2011 г); на «Мировом конгрессе Медицинской физики и Биомедицинской техники» (Китай, г. Пекин, 26-31 мая 2012 г); на «XIV конференции по космической биологии и авиационной медицине с международным участием» (РФ, г. Москва, 28-30 октября 2013 г); на «Первой республиканской инновационной выставке «IngExpo» (РФ, Республика Ингушетия, г. Магас, 17 декабря 2013 г); на международной конференции «40 научная ассамблея Коспар» (РФ, г. Москва, 2-10 Августа 2014 г). 9 Публикации по теме диссертации Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях в отечественной и зарубежной печати, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах, главе монографии и заявке на изобретение, получившей положительное решение о выдаче патента. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемых работ и дополнена приложением. Объем диссертации составляет 152 страницы печатного текста, включая 43 рисунка и 19 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 139 источников, из которых 34 отечественных и 105 зарубежных источников. Приложение содержит 27 страниц печатного текста, включая 29 рисунков и 15 таблиц. 10 Положения, выносимые на защиту 1. Реакция респираторной системы на сочетанное гиперкапническогипоксическое воздействие изменяется в условиях моделируемой невесомости. Возможными причинами этого изменения являются сопряженные перестройки в кардиореспираторной системе человека. 2. Реакция дыхательного объема на гиперкапническо-гипоксический стимул более чувствительна к постуральным воздействиям, чем вентиляционная реакция, а значит, этот параметр необходимо включить в измеряемые в условиях космического полета физиологические показатели. 3. С помощью аппаратно-программного комплекса, разработанного с учетом ограничений в применении баллонов с сжатыми газами, для изучения реакции респираторной системы на гипоксию и гиперкапнию можно проводить различные тесты с возвратным дыханием в гермообъектах, в том числе и на борту космической станции. 4. С помощью математической модели биотехнической системы, включающей в себя кардиореспираторную систему человека и аппаратнопрограммного комплекса для исследования реакции респираторной системы на гипоксию и гиперкапнию, можно объективно сравнивать результаты различных тестов с возвратным дыханием. 11 1. Обзор литературы 1.1. Регуляция дыхания Адекватное снабжение тканей кислородом и удаление из организма углекислого газа осуществляется в основном координированной деятельностью систем внешнего дыхания, кровообращения и крови. Основное значение внешнего дыхания заключается в поддержании оптимального (в обычных условиях почти постоянного) газового состава артериальной крови – напряжений кислорода (Ро2) и углекислого газа (Рсо2) и тем самым в известной мере концентрации водородных ионов (pH). Ее регуляция осуществляется благодаря управлению легочной вентиляцией [Бреслав, Пятин, 1994]. Любые отклонения pH, Ро2 и Рсо2 воздействуют на дыхательный центр (непосредственно или через хеморецепторы), вызывая ответную реакцию, направленную на устранение этих отклонений. Хеморецепторы изменяют вентиляцию, реагируя на изменения химического состава омывающей их крови. Центральные и периферические хеморецепторы, находясь в возбужденном состоянии, увеличивают легочную вентиляцию, чтобы она соответствовала метаболическим потребностям тканей [Ganong, 1993]. Хеморегуляция дыхания работает на принципе отрицательной обратной связи, главным образом, поддерживая постоянство концентраций ионов водорода в тканях мозга. Центральные и периферические хеморецепторы воздействуют на дыхание посредством хеморефлексов [Duffin, 1990]. Так же как содержание углекислого газа в крови действует на вентиляцию, так и вентиляция влияет на уровень СО 2. Уравнение метаболической гиперболы, описывающей действие вентиляции на парциальное давление углекислого газа, имеет следующий вид: (1) где Paco2 - напряжение СО2 в артериальной крови (мм рт.ст.), PIco2 - парциальное давление СО2 во вдыхаемом воздухе (мм рт.ст.), оно незначительно в 12 окружающем воздухе, co2 – количество выдыхаемого СО2 в минуту (л/мин) и – альвеолярная вентиляция (л/мин), C - константа. При постоянном co2, и Paco2 обратно пропорциональны друг другу. Пересечение метаболической гиперболы и суммарной реакции на возбуждение периферических и центральных хеморецепторов указывает на равновесное положение в регуляции дыхания. На рисунке 1 представлены кривые вентиляционной реакции и метаболическая гипербола для состояния покоя, когда co2 составляет около 200 мл/мин. В этой точке альвеолярное парциальное давление СО2 равно примерно 40 мм рт.ст., а альвеолярная вентиляция порядка 7 л/мин. Рисунок 1 - Вентиляционная реакция на СО2, вызванная возбуждением центральных и периферических хеморецепторов, показана прямыми линиями при различных уровнях Рсо2 в артериальной крови. Изменение напряжения СО2 в артериальной крови в ответ на изменение альвеолярной вентиляции показано изогнутой линией. Равновесная точка – общее решение линейного и гиперболического уравнений [Mohan, 1997] Помимо хеморефлексов, дыханием также управляют стимулы, которые вызывают основную вентиляцию, и во время бодрствования эти стимулы не 13 зависят от возбуждения хеморецепторов. Когда Рсо2 ниже определенного порога, управление дыханием не зависит от хеморецепторных стимулов, и может отличаться при физических нагрузках и в стрессовых ситуациях. Усиление дыхания рефлекторным путем через хеморецепторы каротидных и аортальных телец при низком напряжении кислорода в крови, а так же управление дыхательным центром, чувствительным к изменению напряжения углекислого газа, ритмом и глубиной дыхания для приспособления вентиляции к метаболическим потребностям организма, называется управлением дыханием по отклонению. При мышечной работе адаптация дыхания к нагрузке происходит благодаря рецепторам двигательного аппарата, что подтверждается увеличением минутного объема вентиляции легких в начале работы, когда еще нет отклонения Ро 2 и Рсо2 в артериальной крови, и сдвига pH. Такой тип регулирования называется управлением дыханием по возмущению. Таким образом, регуляция, как по отклонению, так и по возмущению направлена на достижение одного и того же результата – постоянства pH, Ро2 и Рсо2 в артериальной крови [Бреслав, Пятин, 1994; Шейд, 2004]. Система регуляции дыхания – это комбинированная система автоматического управления, в которой используются преимущества обоих механизмов регуляции: как по возмущению, так и по отклонению. Этим, повидимому, исчерпываются основные механизмы регуляции дыхания при работе у человека, не привыкшего к физическим нагрузкам. У него появляются заметные сдвиги в газовом составе артериальной крови, необходимые для коррекции недостаточно точных ответных реакций дыхательного центра. Однако у тренированного человека сдвиги в газовом составе артериальной крови практически отсутствуют. А значит, система регуляции дыхания обладает способностью к самообучению [Бреслав, Пятин, 1994; Уэст, 2008]. В формировании дыхательных циклов ведущую роль играют нейроны продолговатого мозга. По распределению импульсной активности в дыхательном цикле нейроны классифицируются на инспираторные, экспираторные и 14 постинспираторные. В спинном мозгу находятся скопления мотонейронов, аксоны которых направляются к дыхательным мышцам: диафрагме, поперечной и прямой, наружным и внутренним межреберным и косым мышцам живота. В классических работах по физиологии дыхания показано, что одновременно несколько сенсорных систем контролируют вентиляционную реакцию на дыхательный моторный стимул [Уэст, 1988; Шейд, 2004]. Эта афферентная обратная связь включает четыре основные составляющие: мышечные чувствительные нервы, легочные рецепторы, рецепторы дыхательных путей и хеморецепторы. Информация от этих источников передается как в дыхательный центр, так и в высшие мозговые центры (соматосенсорной и ассоциативной коры). Электроэнцефалография и изучение вызванных потенциалов, связанных с дыханием, подтвердили, что механостимуляция, хемостимуляция и моторный стимул изменяют активность нейронов мозга, которая лежит в основе когнитивного осознания дыхания. Если дыхание в достаточной степени нарушено (внешней нагрузкой у здорового человека или внутренней нагрузкой у человека с сердечно-легочными заболеваниями), то это приводит к активации лимбических и паралимбических структур, которые подают сигналы эмоциональной реакции на воспринимаемую угрозу [O’Donnell et al., 2007]. 15 1.2. Центральные и периферические хеморецепторы Центральные хеморецепторы (ЦХР) – группа нейронов, чувствительных к изменению Рсо2 в артериальной крови и концентрации ионов водорода в спинномозговой жидкости. Они участвуют в постоянном контроле вентиляции и расположены у вентральной поверхности продолговатого мозга около выходов IX и X черепно-мозговых нервов. ЦХР омываются внеклеточной жидкостью головного мозга и реагируют на изменения в ней pH. Спинномозговая жидкость отделена от крови гематоэнцефалическим барьером, относительно непроницаемым для ионов водорода, но свободно пропускающим молекулярный СО2 [Уэст, 1988]. Местоположение центральных хеморецепторов влияет на центральный хеморефлекс. Во-первых, из-за гематоэнцефалического барьера концентрация ионов водорода, регистрируемая ЦХР, более тесно связана с артериальным Рсо 2, а не с артериальным pH. При росте артериального напряжения углекислого газа, СО2 диффундирует в спинномозговую жидкость из кровеносных сосудов мозга, тем самым высвобождая ионы водорода, которые стимулируют центральные хеморецепторы, вызывая пропорциональное увеличение вентиляции. Повышенное артериальное Рсо2 действует в мозгу как сосудорасширяющее, приводя к увеличению мозгового кровотока. Центральное Рсо2 определяется 3 факторами: артериальным Расо2, СО2, образующимся в тканях мозга, и мозговым кровотоком – и изменяется пропорционально Раco2 и обратно пропорционально мозговому кровотоку. Таким образом, при изменении Расо2 или мозгового кровотока изменения в центральном Рсо2 произойдут примерно через 5 минут [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009]. Во-вторых, так как ЦХР обеспечены током крови, равным примерно 0.01 мл/сек на каждый мл ткани рецептора, существует временная задержка в изменении Рсо2 у центральных хеморецепторов по отношению к таковому для артериальной крови [Duffin, 1990]. В экспериментах, где уровень артериального Рсо2 резко возрастал, напряжение углекислого газа у ЦХР постепенно 16 увеличивалось по экспоненциальному закону [Nunn, 1967]. Постоянная времени этой экспоненты может быть оценена как обратная перфузии тканей хеморецепторов, т.е. 100 секунд. Экспонента затухает в течение приблизительно трех постоянных времени, таким образом, необходимо около 5 минут, чтобы Рсо2 у ЦХР вышло на новый уровень. И, в-третьих, Рсо2 у центральных хеморецепторов отличается от значения в артериальной крови - оно ближе к Рсо2 смешанной венозной крови, оттекающей от мозга. Из-за того, что изменение мозгового кровотока меняет церебральную артериовенозную разницу по напряжению углекислого газа, разница между Рсо2 в артериальной крови и у ЦХР будет изменяться вследствие изменения мозгового кровотока [Berkenbosch, 1988]. Периферические (артериальные) хеморецепторы (ПХР) находятся в каротидных (область бифуркации общих сонных артерий) и в аортальных тельцах (верхняя и нижняя поверхность дуги аорты). Среди них у человека главную роль играют ПХР каротидных телец, и они считаются единственным источником рефлекторной стимуляции дыхания, реагирующим на три вида воздействий: гипоксию, гиперкапнию, а также на изменение pH. Относительный вклад аортальных телец в вентиляцию является минимальным. Схема регуляции дыхания посредством центральных и периферических хеморефлексов представлена на рисунке 2. J. H. Jn. Comroe и C. F. Schmidt в 1938 году и позднее J. F. Perkins (1968) высказывали разное мнение по поводу вклада периферических хеморецепторов в регуляцию дыхания в состоянии покоя. В поддержку первого мнения были получены данные о том, что активность периферических хеморецепторов проявлялась после нескольких вдохов стопроцентным кислородом бодрствующими людьми, в результате вентиляция уменьшалась всего на 10% [Comroe, Schmidt, 1938; Dejours, 1963]. При этом, если гипероксия поддерживалась на протяжении нескольких минут, то снижение запасов гемоглобина для транспорта H+ и небольшое снижение в церебральном кровотоке приводила к небольшому увеличению концентрации H+ в тканях мозга. Таким 17 образом, ацидоз вызывал рост активности центральных хеморецепторов, которые компенсируют эффект снижения активности каротидных хеморецепторов - в результате чего, происходит восстановление дыхания к норме. Рисунок 2 - Схема регуляции дыхания посредством центральных и периферических хеморефлексов [Duffin, 1990] Эти данные приводят в качестве довода к предположению о том, что каротидные хеморецепторы вносят только малый вклад в регуляцию дыхания в состоянии покоя здоровых бодрствующих людей. По утверждению J. H. Jn. Comroe и C. F. Schmidt: «Рефлексы каротидных телец играют лишь вспомогательную роль … регуляция дыхания в нормальных условиях всецело обеспечивается ответом со стороны клеток центра посредством химического стимула (главным образом СО2)» [Comroe, Schmidt, 1938]. D. F. Donnelly уточнил, что «главная роль каротидных телец – детектировать гипоксию и реагировать на нее» [Donnelly, 1997]. Fitzgerald et al. в своих исследованиях на собаках обнаружили, что при однонаправленной и билатеральной перфузии через изолированную сонную артерию гипероксической или гипокапнической кровью вентиляция снижается на 30% и 24% соответственно [Fitzgerald et al., 1964]. Другие исследования дают основания предполагать о значительно большем вкладе каротидных хеморецепторов в регуляцию дыхания в состоянии покоя, по сравнению с 18 результатами исследований при дыхании чистым кислородом [Brown et al., 1993; Pan et al., 1983]. Таким образом, вентиляционные реакции на стимуляцию ПХР могут быть рассмотрены с двух точек зрения. Периферические хеморецепторы могут считаться детекторами гипоксии, где ионы водорода (углекислый газ) выступают как усилители чувствительности. Нарастающая изокапническая гипоксия приводит к гиперболическому увеличению вентиляции, а значит, вентиляционная реакция на гипоксию зависит от Рсо2. Кроме того, ПХР можно рассматривать как детекторы ионов водорода в артериальной крови (углекислого газа), чувствительность которых увеличивается при гипоксии [Mohan, 1997]. При этом остаются небольшие сомнения в том, что активность периферических хеморецепторов и вентиляция увеличиваются с гиперкапнией и снижаются с гипокапнией. Тем не менее, несколько работ подтверждали это. Рост вентиляционного ответа на гиперкапнию наблюдался в исследованиях с денервацией каротидных тел, при этом чувствительность к СО 2 снижалась только на 10-40% только через несколько недель после денервации [Katsaros, 1968; Berger, Dutton, Krasney, 1973]. В целом, вклад периферических хеморецепторов при дыхании в покое недооценен в ранних исследованиях с денервацией каротидных телец, поскольку в них не рассматривали период максимального проявления реакции [Katsaros, 1968]. Данные, полученные с помощью различных методик, с целью разделения реакций от возбуждения периферических и центральных хеморецепторов, так же говорят, хотя и о малом, но определенно существенном влиянии периферических хеморецепторов на чувствительность к СО2. Тем не менее, каротидные тельца считаются хеморецепторами артериальной крови, чувствительными к изменениям в Ро2, Рсо2 и pH. Напряжение углекислого газа и концентрация ионов водорода в артериальной крови может влиять на pH в каротидном тельце, т.к. в отличие от центральных хеморецепторов здесь нет гематоэнцефалического барьера. Гипоксия и гиперкапния выступают в качестве вазодилататоров, увеличивая приток крови к каротидным тельцам, 19 которые реагируют не только на гипоксию, но также и на ионы водорода и на изменения в их концентрации, связанные с углекислым газом [Hombien, Griffo, Roos, 1961]. Гипоксия вызывает увеличение вентиляции посредством периферических хеморецепторов, но основное влияние на них оказывают ионы водорода. Это наводит на 2 важных заключения: гипероксия снижает чувствительность периферических хеморецепторов на ионы водорода в несущественной степени; снижение концентрации вентиляционной хеморецепторов ионов водорода чувствительности на гипоксию. ниже вызывает Однако во определенного порога небольшую время длительной реакцию гипоксии хеморефлекс претерпевает изменения [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009]. Исследования показывают, что острого вентиляционного ответа на гипоксию не наблюдается, если величина Рсо2 ниже периферического хеморефлекторного порога [Rapanos, Duffin, 1997]. В количественном отношении гораздо большую роль играет ответная реакция на изменение Рсо2 артериальной крови центральных, а не периферических хеморецепторов. Так, если здоровый человек вдыхает газовую смесь, содержащую СО2, активизация ПХР обусловливает изменение дыхания менее чем на 20 %. Однако скорость реагирования их выше, и они, по-видимому, важны для приспособления вентиляции к внезапным изменениям Рсо 2 [Уэст, 1988]. R. A. Mitchell предложил «универсальную» теорию регуляции, в соответствии с которой общая вентиляционная реакция складывается из вентиляционных ответов на стимуляцию периферических и центральных хеморецепторов [Mitchell, 1966]. С другой стороны, Fencl et al. в своих экспериментах при изучении церебрального кровотока пришли к выводу, что гипервентиляция во время респираторного ацидоза так же, как и во время метаболического ацидоза, вызвана исключительно центральными хеморецепторами [Fencl, Miller, Pappenheimer, 1966]. Этот вывод также получил подтверждение данными, полученными в 20 результате исследований на кошках [Schlaefke, Kelle, Loeschcke, 1979; Schlaefke et al., 1979], показавших, что чувствительность к СО2 может практически исчезнуть при повреждении латеральной медуллярной поверхности. В исследованиях вентиляционной реакции с денервацией каротидных телец на козлах наблюдалось временное снижение чувствительности к СО 2, на 15-е сутки после денервации хемочувствительность к концентрации углекислого газа не сильно отличалась от хемочувствительности до денервации [Pan et al., 1998]. Характерные вентиляционные реакции представлены на рисунке 3. Рисунок 3 - Вентиляционные реакции на изменение парциального давления углекислого газа на вдохе у животных до и после денервации на 1, 2, 4, 7 и 15 сутки [Pan et al., 1998] Хорошо известно, что мозговая сосудистая сеть реагирует на изменение Pсо2 артериальной крови. Существенная чувствительность цереброваскулярного кровотока к изменениям Pсо2 артериальной крови предполагается как жизненно важная гомеостатическая функция, которая позволяет регулировать и поддерживать центральный уровень pH и таким образом воздействовать на дыхание посредством хеморецепторного стимула. Эти механизмы объясняются взаимодействием между Paсо2 и вазодилатацией или вазоконстрикцией на уровне мелких артерий и прекапиллярных сфинктеров [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009]. 21 В ранее проведенных исследованиях на людях отметили, что цереброваскулярная реакция начиналась через 30 секунд после начала ингаляции углекислым газом и амплитудные значения были достигнуты через 2 минуты. В еще более ранних исследованиях с применением микроскопического исследования сосудов с транскраниальной доплерографией продемонстрировали, что цереброваскулярный кровоток у людей реагирует на ступенчатые изменения углекислого газа намного быстрее (задержка в 6 секунд) [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009]. Актуальными для изучения на сегодняшний день остаются механизмы, лежащие в основе гиперпноэ, которое возникает при физической нагрузке [Kaufman, Forster, 1996], а так же о роли каротидных хеморецепторов в этом механизме [Comroe, Schmidt, 1938; Pan et al., 1983]. Однако последние результаты исследований показывают, что эти хеморецепторы не обеспечивают основной стимул, вызывающий гиперпноэ, и их основная роль – «точно подстраивать» альвеолярную вентиляцию, чтобы минимизировать отклонения Pо2 и Pсо2 во время физических упражнений от значений в состоянии покое [Pan et al., 1983; Forster et al., 1993]. По мнению B. Katsaros функция неспецифического, тонического каротидного драйва, в основном, заключается в поддержании предельных значений у дыхательных центров на низком уровне, таким образом, они могут более эффективно реагировать на адекватные респираторные стимулы, СО 2, Н+ [Katsaros, 1968]. Результаты исследований с денервацией каротидных телец демонстрируют, что через несколько дней после денервации наблюдается гипервентиляция при дыхании в состоянии покоя и во время физических нагрузок, а также ослабление вентиляционной чувствительности к концентрации углекислого газа. Эти данные согласуются с концепцией о том, что каротидные барорецепторы усиливают реакцию медуллярных респираторных нейронов на такие стимулы, как СО2 или физические нагрузки. При этом гипервентиляция и сниженная чувствительность к СО2 – явления временные, таким образом, отсутствие реакции от каротидных барорецепторов и хеморецепторов, например, 22 в результате денервации, будет скомпенсировано, что подчеркивает пластичные свойства механизмов вентиляционной регуляции. Следует так же отметить, что хеморецепторы, участвующие в регуляции дыхания, расположены в тех же зонах артериальной системы, что и барорецепторы, участвующие в регуляции кровяного давления – области дуги аорты и каротидных синусов. Совместный контроль дыхания и кровообращения обеспечивает устойчивое снабжение кислородом жизненно важных органов и, прежде всего, мозга. Периферические хеморецепторы участвуют в регуляции не только легочной вентиляции, но и работы сердца. Известно, что частота сердечных сокращений возрастает в прямой зависимости от падения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе и оксигенации артериальной крови [Koehler, McDonald, Krasney, 1980; Уэст, 1988]. Регуляция церебрального кровотока должна быть так же упомянута и при обсуждении регуляции дыхания посредством хеморефлексов. С увеличением Расо2 увеличивается и церебральный кровоток, вымывая СО 2 из мозговых тканей и, уменьшая стимул чувствительности центральных центрального хеморецепторов. кровотока к Расо2, Любое ослабление увеличивает общую чувствительность реакции вентиляции центрального хеморефлекса на изменение Расо2. С другой стороны, если чувствительность человека высока, и церебральный кровоток увеличивается с приростом Расо2, то разница между Рсо2 у центральных хеморецепторов и Расо2 снижается, с увеличением Расо2 [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009]. Следовательно, центральные и периферические хеморецепторы служат тем звеном, которое опосредует гиперкапнию или гипоксию. реакции кардиореспираторной системы на 23 1.3. Исследование вентиляционной реакции на гипоксию и гиперкапнию Исследование вентиляционной реакции (ВР) на гиперкапнию и гипоксию затрудняется взаимодействием между этими стимулами и сопутствующими изменениями воздействия углекислого газа на центральные хеморецепторы. Существует целый ряд различных методов измерения реакции на гиперкапнию и гипоксию, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки [Бреслав, Пятин, 1994]. Некоторые методы пытаются разделить периферические хеморефлекторные реакции на гипоксию и гиперкапнию. В таких экспериментах измеряют ВР на гипоксию при низком уровне СО2, и полученные данные могут решить проблему независимой вентиляционной реакции на гипоксию. Тем не менее, во время таких процедур не может быть измерен порог периферического хеморефлекса для углекислого газа, и неясно, был ли Рсо2 у испытуемого ниже порогового. Основным показателем реакции служит так называемая вентиляционная чувствительность к гиперкапническому стимулу, измеряемая наклоном линии, отражающей прирост вентиляции в расчете на 1 мм рт. ст. повышения Рсо2 в альвеолярном газе или артериальной крови. Фиксируют точку пересечения этой линии с «нулевой» осью вентиляции – порог гиперкапнической стимуляции дыхания («точка апноэ»). Таким образом, рассматриваемая зависимость описывается формулой (2) где – легочная вентиляция при данном альвеолярном (или артериальном) Рсо 2, S – прирост вентиляции в расчете на 1 мм рт.ст. Рсо 2, B – «точка апноэ». Схематизированная кривая зависимости вентиляции от альвеолярного Рсо2 представлена на рисунке 4. В условиях гиперкапнии происходит усиление церебрального кровотока. Предполагается, что механизмы, вызывающие это усиление кровотока связаны, с 24 воздействиями сосудорасширяющих медиаторов [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009]. Рисунок 4 - Схематизированная кривая зависимости вентиляции от альвеолярного Рсо2. По оси абсцисс - Расо2, мм рт. ст.; по оси ординат – вентиляция, л/мин. 1 - 2 – линейная часть кривой; В – «точка апноэ»; β – угол наклона кривой [Бреслав, Пятин, 1994] Рост легочной вентиляции в определенном диапазоне прироста артериального Рсо2 меняется в линейной зависимости от последнего. На этом основан распространенный способ тестирования реакции на гиперкапнию – методом возвратного дыхания, путем регистрации динамики вентиляции в ходе накопления СО2, выделяемого обследуемым, в замкнутом объеме. При описании гипоксических и гиперкапнических воздействий в середине прошлого века использовали стационарные методы [Nielsen, Smith, 1952]. Определяли изооксическую ВР при нескольких уровнях углекислого газа. Такой метод требовал несколько минут для получения каждой точки на графике зависимости вентиляции от Рсо2 при постоянном уровне гипоксии. Исследователи описывали линейное увеличение вентиляции при уровнях СО 2 выше порогового, в дополнении к увеличению подпороговой вентиляции при росте гипоксии. Также было обнаружено, что по мере усиления гипоксии, наклон ВР на углекислый газ увеличивался, а порог снижался, как показано на рисунке 5. 25 В 1967 году D.J.C. Read представил метод возвратного дыхания для исследования вентиляционной реакции, который сопоставлялся существующему стационарному методу [Read, 1967]. Рисунок 5 - Описание гипоксического и гиперкапнического взаимодействия при использовании стационарных методов определения изооксической вентиляционной реакции при нескольких уровнях кислорода [Уэст, 1988] D.J.C. Read использовал для возвратного дыхания небольшой мешок объемом 4-6 литров наполненный искусственной газовой смесью с содержанием кислорода и 7% углекислого газа. При таких условиях тест начинался с возвратного дыхания смесью с содержанием СО2, близким к содержанию СО2 в смешанной венозной крови (РVco2), и таким образом обеспечивалось быстрое выравнивание концентраций СО2 в венозной, артериальной крови, в легких, мешке для возвратного дыхания и, вероятно, в тканях мозга (Ptco2). Позже было экспериментально обнаружено, что вентиляция и парциальное давление СО 2 на 26 выдохе возрастают линейно. Эти условия эксперимента обеспечивают быстро снижающийся градиент давлений между резервуарами, и с момента выравнивания содержания СО2 в системе начинается его рост с постоянной скоростью [Rebuck, Slutsky, Обычно 1981]. при исследовании хемочувствительности изучаются шаг прироста PETco2, и скорость прироста PETco2. Скорость нарастания зависит от запасов углекислого газа в тканях организма человека [Fowle, Campbell, 1964], поглощения кислорода и мертвого пространства в системе с мешком, а так же объема легких при подключении к мешку для возвратного дыхания. Пока выделение углекислого газа в ходе основного обмена веществ находится на уровне состояния покоя, вентиляция и кровообращение хорошо выравнивают концентрации внутри дыхательной системы «мешок – легкие – кровь – ткани», и рост содержания СО2 у центральных хеморецепторов отражается на величине Рсо2 в мешке для возвратного дыхания. Высокий начальный уровень углекислого газа в мешке обеспечивает быстрое выравнивание Рсо2 в артериальной крови, в смешанной венозной крови, в альвеолярном пространстве и в мешке. Одним из недостатков метода ВД является зависимость прироста Рсо2 в замкнутой системе от интенсивности метаболизма объекта исследования, поэтому такой метод непригоден, например, при мышечной нагрузке. Данный недостаток устраняется, если используется так называемая управляемая гиперкапния, когда Рсо2 вдыхаемой смеси нарастает по заранее установленной программе [Бреслав, Пятин, 1994]. Обычно для тестирования вентиляционной чувствительности к гиперкапнии используется дыхательная смесь, содержащая не менее 40% О 2, устраняющая гипоксический стимул. При использовании смеси с большей концентрацией кислорода импульсация артериальных хеморецепторов отключается полностью. Действие гипоксического драйва на дыхание стимулируется артериальными хеморецепторами, главным образом, синокаротидными. 27 Рост активности рецепторов при гипоксии вызывает повышение центральной инспираторной активности (ЦИА) и соответствующее увеличение легочной вентиляции. Гипоксический стимул действует так же, как гиперкапнический, хотя и относительно слабее. Особенностью реакции дыхания на гипоксию является ее быстрота, обусловленная малым латентным периодом возбуждения хеморецепторов каротидного тела. Реальное значение гипоксического стимула можно определить путем выключения периферических хеморецепторов: после 2-3 вдохов кислорода на протяжении нескольких дыхательных циклов вентиляция оказывается сниженной на 10-20%. Это и есть доля, которая приходится на гипоксический драйв, в хеморецептивной стимуляции дыхания в условиях покоя. Для оценки вентиляционной чувствительности к гипоксическому стимулу можно использовать вышеупомянутый метод возвратного дыхания в замкнутой системе, где парциальное давление О 2 убывает из-за поглощения его самим обследуемым, а выделяемая СО2 удаляется поглотителем. Связь между Рсо2 и активностью каротидных хеморецепторов носит нелинейный характер и она обеспечивает адекватную компенсацию дефицита транспорта О2 при различных степенях гипоксемии. Заметный рост легочной вентиляции человека обнаруживается, когда содержание кислорода во вдыхаемом газе падает ниже 15-16%, а РAо2 – ниже 8590 мм рт.ст. В итоге вентиляционную чувствительность к гипоксическому стимулу характеризуют параметром А – приростом вентиляции при максимальной интенсивности этого стимула: . Типичная кривая зависимости (3) вентиляции от альвеолярного РАо2 представлена на рисунке 6. Гипоксическая стимуляция артериальных хеморецепторов активирует центральные респираторные механизмы. Рост вентиляции влечет усиленное 28 вымывание двуокиси углерода через легкие и падение артериального Рсо2, т.е. ослабление гиперкапнического стимула с последующим снижением вентиляции. Реакция на гипоксию увеличивается, если не допускать гипокапнию, добавляя СО2. Рисунок 6 - Кривая зависимости вентиляции от альвеолярного Рао2, полученная путем линейной аппроксимацией точек вычисленных с помощью экспериментально полученной зависимости (3). Параметр характеризует вентиляцию, вычисленную для бесконечно большого значения параметра Р Aо2, а параметр А определяет форму кривой. По оси абсцисс – РAo2, мм рт. ст.; по оси ординат – вентиляция , л/мин [Weil et al., 1970] В экспериментах с изокапнией (нормальный уровень Pco2) обнаруживается двухфазный характер реакции на гипоксическую смесь – быстрое нарастание вентиляции, а затем стабилизация на более низком уровне [Бреслав, Пятин, 1994]. Это угнетение во второй фазе связано не с ослаблением хеморецептивной стимуляции, а с неким тормозным эффектом центрального происхождения. 29 Гипоксический драйв, стимулируемый артериальными хеморецепторами, играет важную роль в регуляции дыхания в условиях хронической гипоксии и адаптации к этому фактору, связанному обычно с пребыванием в горах. Вентиляционная реакция на гипоксию в определенной степени зависит от времени [Easton, Slykerman, Anthonisen,1986]. Изокси-гипоксические вентиляционные реакции могут быть измерены, с использованием стационарных методов, однако тесты рекомендуется завершать в течение первых 5 минут гипоксического воздействия. В течение этого временного промежутка определяется непосредственная ВР на периферический хеморефлекс [Duffin, 2007]. Таким образом, изокапническая реакция на гипоксию при применении стационарного метода может быть произвольно разделена на две фазы: первая фаза (0-5 минуты) непосредственного роста вентиляции, связанного со стимуляцией периферических хеморецепторов сниженными парциальным давлением углекислого газа, и вторая фаза (5-20 минуты) постепенного снижения вентиляции, связанного с изменениями в мозговом кровотоке [Steinback, Poulin, 2007]. Кроме того, ВР на гипоксию может зависеть от вида предыдущих гипоксических воздействий и уровня CO2 в состоянии покоя. С помощью стационарных методов измеряют вентиляционную реакцию в условиях, когда изменения в вентиляции влияют на фактические раздражители. Более удобным с точки зрения практического применения является традиционный метод возвратного дыхания, при котором для измерения вентиляционной реакции на углекислый газ испытуемый дышал в небольшой мешок. Методика возвратного дыхания позволяет определить чувствительность реакции центрального хеморефлекса на углекислый газ. Для возможности измерения ВР на углекислый газ при различных постоянных уровнях гипоксии, и определения порогов для СО 2 при воздействии центрального и периферического хеморефлексов, методику возвратного дыхания необходимо модифицировать [Duffin, McAvoy, 1988]. Во-первых, возвратное дыхание начиналось после периода гипервентиляции, чтобы снизить запасы углекислого газа в организме. Это позволило уравновесить Рсо 2 в системе и 30 сделать его уровень ниже порогового значения для периферического хеморефлекса. Во-вторых, Рсо2 в конце выдоха оставалось неизменным. Если провести несколько экспериментов возвратного дыхания при различных уровнях исходной гипоксии, то может быть получен полный набор вентиляционных реакций на углекислый газ от периферических и центральных хеморефлексов. Кроме того, может быть количественно определено взаимодействие гипоксии и углекислого газа в периферическом хеморефлексе, так же хорошо, как и порог периферической ВР на гипоксию. В соответствии с результатами многочисленных экспериментов [Duffin, McAvoy, 1988; Mohan et al., 1999; Duffin et al., 2000; Duffin, 2005; Duffin, 2007; Ainslie, Duffin, 2009; Duffin, 2011] вентиляция во время возвратного дыхания, предваренного гипервентиляцией, может быть представлена как сумма двух компонент: , где – общая вентиляция, состоянии бодрствования (4) – вентиляция, обусловленная существующим в постоянным вентиляционным стимулом, – вентиляция, обусловленная центральным и периферическим хеморефлексами. зависит от центрального и периферического хеморефлекторных стимулов. Величины стимулов выражаются в единицах вентиляции и определяются уравнениями: (5) где PСco2 - напряжение углекислого газа у центральных хеморецепторов, SC – чувствительность центрального хеморефлекса и TC – его порог по СО2. , (6) где Pаco2 - напряжение углекислого газа у периферических хеморецепторов, SP – чувствительность периферического хеморефлекса и TP - его порог по СО2. Зависимость от стимулов определяется соотношениями: 31 Если DC + DP < DT, то = 0; Если DC + DP ≥ DT, то = DC + DP – DT. (7) Здесь DT - порог суммарного хеморефлекторного стимула. Эксперименты с фиксированной величиной Pаco2 показали, что SP зависит от напряжения кислорода в артериальной крови Pаo2 следующим образом: , (8) где A, С – константы, причем обычно С ≈ 30-32 мм рт.ст. [Nielsen, Smith, 1952; Mohan, 1997]. Если Pаo2 намного больше, чем константа C, что происходит при дыхании газовыми смесями с высоким содержанием кислорода, то периферический хеморефлекс отключается. На рисунке 7 представлен набор вентиляционных реакций на углекислый газ, обусловленных центральным и периферическим хеморефлексами. Рисунок 7 - Вентиляция, зависящая от Ро2 и Рсо2, отображена изоксическими прямыми. Вентиляция увеличивается при превышении порога хеморефлекса TD. Порог по Рсо2 для центрального хеморецептора, для каждого отображенного Расо2, ниже чем для периферических хеморецепторов из-за разницы между Рсо2 у центральных хеморецепторов и Расо2 (а-с dif) [Duffin, 1990] 32 Результаты исследований с изооксической гипоксией показывают, что после выхода на низкий уровень углекислого газа в мешке, уровень СО 2 увеличивается без увеличения вентиляции, пока не будет достигнут первый порог. Выше указанного порога вентиляция линейно возрастает с увеличением Рсо2, пока не будет достигнут второй порог. После второго порога вентиляция продолжает линейно возрастать с ростом углекислого газа. Первое пороговое значение относится к периферическому хеморефлексу, и наклон кривой зависимости вентиляции от концентрации СО2 принимается за чувствительность углекислый газ. Второе пороговое между двумя порогами ВР периферического хеморефлекса на значение относится к центральному хеморефлексу, а наклон кривой зависимости вентиляции от концентрации СО 2, когда она выше второго порога, принимается в качестве комбинации чувствительности вентиляционных реакций периферического и центрального хеморефлексов на углекислый газ [Duffin, McAvoy, 1988]. Эксперименты с изооксическим возвратным дыханием, проведенные на фоне гипероксии, позволяют отдельно определить порог центрального хеморефлекса, так как в этих условиях ПХР не стимулированы [Cunningham, Robbins, Wolff, 1986]. Комбинированная реакция будет иметь значительно более высокую чувствительность по сравнению с кривой реакции ЦХР при гипероксии; вентиляция в каждой точке будет выше, и наклон этой линии будет более крутым. Различия в вентиляционных реакциях на углекислый газ в условиях гипоксии и гипероксии отображены на рисунке 8. Таким образом, вычитание кривой реакции центральных хеморецепторов из кривой комбинированной реакции дает кривую реакции периферических хеморецепторов. Следует отметить, что вентиляционная реакция на углекислый газ с использованием метода возвратного дыхания (Sr) обычно существенно выше по сравнению с результатами, полученными стационарным методом обследования (SS). Коэффициент Sr/SS в разных источниках варьируется в пределах от 1.4 до 2.59 при среднем значении 1.85. Эта разница объясняется различными изменениями в церебральном кровотоке непосредственно после увеличения 33 содержания углекислого газа в артериальной крови при применении стационарного метода по отношению к методу возвратного дыхания [Berkenbosch et al., 1988]. Рисунок 8 - Вентиляционная реакция на РЕТсо2 при возвратном дыхании воздухом (квадраты) и гипероксической дыхательной газовой смесью (кресты). При возвратном дыхании гипероксической дыхательной газовой смесью выражена только реакция центральных хеморецепторов, тогда как при возвратном дыхании воздухом – периферических и центральных [Rapanos, Duffin, 1997] Jacobi et al. одни из первых обнаружили, что при измерении вентиляционной реакции с помощью возвратного дыхания хемочувствительность больше, чем при применении стационарного метода. Они предполагали, что повышенная вентиляционная реакции – явление временное, которое при достижении стационарного состояния респираторной системы стабилизируется и сравнится со значениями вентиляционной реакции при использовании теста с возвратным дыханием [Jacobi, Patil, Saunders, 1987]. Две группы ученых Lambertsen et al. в 1963 и Nishimura et al. в 1987 году соответственно, изучали зависимости вентиляционных реакций на гиперкапнию от изменения напряжения углекислого газа внутри яремной вены (PJVсо2) и в артериальной крови (Paсо2) [Lambertsen et al., 1963; Nishimura et al., 1987]. Обе 34 группы исследователей обнаружили, что угол наклона зависимости вентиляции от PJVсо2 больше, по сравнению с зависимостью вентиляции от парциального давления углекислого газа в артериальной крови. Соотношение этих параметров (наклонов) составляли 1:5 в экспериментах Lambertsen et al. и 1:4 – у Nishimura et al. Это может быть объяснено увеличением церебрального кровотока во время гиперкапнии, который приводит к меньшему градиенту между напряжениями в артериальной крови и внутри яремной вены при применении стационарных методов исследования [Kety, Schmidt, 1948; Fencl, Vale, Broch, 1969]. S. S. Kety и C. F. Schmidt, а так же Fencl et al. в своих экспериментах с дыханием углекислым газом обнаружили вдвое больший рост напряжения СО2 в крови внутри яремной вены по сравнению с артериальной кровью. Допуская, что PJVсо2 незначительно отличается от напряжения в тканях, можно предположить, что наклон вентиляционной кривой при применении возвратного дыхания будет на 40 – 100% больше, чем при стационарных методах. Согласно вычислениям D.J.C. Read в стационарных точках измерения при применении стационарного метода измерения вентиляционной реакции в первом приближении можно предположить [Read, 1967]: со со - где Pcvco2 напряжение СО2 в крови головного мозга, - эмпирически полученный коэффициент, более подробно описанный далее. При сравнении вентиляционных реакций, измеренных с применением теста с возвратным дыханием и стационарного метода в стационарных точках измерений, можно получить следующее соотношение: - где SS и Sr хемочувствительность к углекислому газа при применении стационарного метода и возвратного дыхания соответственно; - эмпирически полученные коэффициенты, описанные далее. Эти расчеты позволили D.J.C. Read обнаружить и объяснить разницу приблизительно в 30% в наклонах вентиляционных кривых при использовании 35 различных методов. Типичные вентиляционные реакции, полученные при применении стационарных методов и с помощью возвратного дыхания, представлены на рисунке 9. Рисунок 9 - Вентиляционные реакции, полученные при применении стационарных методов (о) и с помощью возвратного дыхания (□). Темными квадратиками отмечены значения вентиляции в первые 30 секунд возвратного дыхания и, соответственно, в построении линии регрессии не участвуют. При этом наклон кривой при применении стационарных методов равен 7.5 л/мин*кПа, для возвратного дыхания 10.3 л/мин*кПа. Среднее максимальное значение вентиляции при использовании стационарных методов равно 35 л/мин, при возвратном дыхании 45 л/мин [Berkenbosch et al., 1988] Предполагая, что напряжение СО2 в тканях мозга (Ptсо2) равно Pсvсо2 в венозной крови головного мозга, а вентиляция мгновенно и линейно изменяется в зависимости от Ptсо2 при наклоне вентиляционной кривой, равном St (обусловленной изменениями Ptсо2 в тканях мозга), измеряемым методом возвратного дыхания значение Sr будет равно St. Согласно приведенным расчетам отношение значений St/Sr может варьироваться в пределах от 4/3 до 2 в зависимости от параметров γ, определяющего значение Ptсо2 в пределах значений Pасо2 и Pсvсо2 при применении стационарного метода, и β, равного ΔPсvсо2/Δ Pасо2 между различными точками измерения. Отношение St/Sr=4/3 при значениях 36 γ=β=0.5 (Ptсо2=(Pасо2+ Pсvсо2)/2) [Ponten, Siesjo, 1966]. Отношение St/Sr=2 при значениях γ=0 (Pасо2 = Pсvсо2), β=0.5 [Kety, Schmidt, 1948; Fencl, Vale, Broch, 1969]. Отношение St/Sr предполагает, что значения Pасо2 и Pсvсо2 близки, а отношение ΔPсvсо2/Δ Pасо2 близко к 0.5. Разница в значении хемочувствительности в различных методах – результат повышенного церебрального кровотока, вызванного увеличением напряжения углекислого газа. В опытах D. J. C. Read и J. Leigh изменение церебрального кровотока было незначительно вследствие вышеуказанных причин, поэтому разницы в результатах обнаружено не было [Read, Leigh, 1967]. Таким образом, при использовании методов возвратного дыхания разница в Рсо2 между артериальной, венозной крови и мозговых тканях отсутствует. В результате, так как центральные хеморецепторы реагируют на медуллярную концентрацию положительных ионов водорода, зависящую от медуллярного Рсо 2, модифицированный метод возвратного дыхания с предшествующим периодом гипервентиляции исключает влияние церебральной реакции в вентиляционной реакции на Рсо2, тогда как при применении стационарных методов исключить его влияние невозможно. 37 1.4. Влияние условий микрогравитации и нормальной гравитации на вентиляционную реакцию Особый вклад в изучение физиологических механизмов изменений дыхания и гемодинамики в условиях реальной и моделируемой микрогравитации внесли сотрудники ИМБП шестидесятых годов, в число которых входят Генин А.М., Пестов И.Д., Баранов В.М., Агаджанян Н.А., Какурин Л.И., Коваленко Е.А., Михайлов В.М., Катунцев В.П., Лобачик В.И., Дианов А.Г., Тихонов М.А., Давыдов Г.А., Брянцева Л.А. и многие другие специалисты. Отсутствие грубых отклонений от нормы во время первых полетов человека в космос первоначально ослабило интерес ученых к подобным исследованиям, однако позднее были выявлены явные проблемы, связанные с транспортом респираторных газов [Агаджанян, Елфимов, 1986; Баранов, 1993; Баранов, 2011]. Невесомость является основным фактором, воздействующим на организм человека в условиях реальной микрогравитации, в частности, значительно проявляющаяся на биомеханике дыхания и кровообращения [Газенко, Григорьев, Егоров, 1990]. Среди особенностей дыхания у космонавтов в первую очередь следует выделить изменение функциональных объемов и емкостей, например, в результате изменения положения диафрагмы [Дьяченко, Шабельников, 1985]. После 110-120 суточного полета у космонавтов были выявлены сохраняющиеся в течение некоторого времени изменения легочных объемов и скоростных параметров дыхания [Атьков, Бедненко, 1989; Григорьев, Егоров, 1997]. Во время космического эксперимента «Дыхание» в 2007-2010 годах сотрудниками ГНЦ РФ - ИМБП РАН были получены новые данные не только о легочных объемах и биомеханике дыхания, но и о возможных изменениях в регуляции дыхания [Баранов и др., 2011a; Баранов и др., 2011b; Миняева и др., 2011]. Изменения в легочных объемах и биомеханике дыхания так же наблюдаются и в условиях моделируемой невесомости. При переходе от 38 вертикального к горизонтальному положению жизненная емкость легких (ЖЕЛ) у мужчин может уменьшаться практически на 6 % [Хасис, 1975], а в условиях водной иммерсии при сохранении ЖЕЛ, достоверно возрастал резервный объём вдоха и снижался резервный объём выдоха [Попова и др., 2011]. При всем при этом после непродолжительных полетов величина ЖЕЛ существенно не отличалась от предполетных показателей [Баранов, 1993]. Тогда как функциональная остаточная емкость легких (ФОЕ) снижалась в невесомости примерно на 15% [Prisk et al., 2006]. Было также отмечено значительное снижение резервов дыхания (на 35-40%), при этом полное восстановление наблюдалось только через шесть месяцев после полета [Баранов, Котов, Тихонов, 2002]. Резервы дыхания определяются соотношением форсированного дыхания к спокойному, они необходимы для выполнения физической работы, в частности, для космонавтов при профессиональной деятельности вне корабля, то есть при работе в скафандре. В исследованиях биомеханики дыхания в антиортостатическом положении (АНОП) человека описывается возрастание эластического сопротивления и снижения растяжимости в результате увеличения кровенаполнения легких [Дьяченко, Шабельников, 1985; Баранов, Котов, Тихонов, 2002]. Было обнаружено, что в условиях микрогравитации при практически неизменной форме грудной клетки [Генин, Дьяченко, 1994], изменению подвергаются сами дыхательные мышцы, поскольку не требуется преодолевать вес грудной клетки, а внутренние органы занимают несколько иное положение [Баранов и др., 1991]. При длительных полетах (более 100-120 суток) дыхательные и скелетные мышцы вовлечены в процесс детренированности, в результате чего наблюдается комплексные нарушения – гиповентиляция, гиперкапния, гипоксемия, снижение рН и смещение анаэробного порога, функциональная недостаточность диафрагмы [Баранов, 2011]. Под действием гравитации в наземных исследованиях была выявлена неравномерность отношения альвеолярной вентиляции к кровотоку [Уэст, 1988; Бреслав, Пятин, 1994], которая особенно выражена в вертикальном положении. К 39 сожалению, ни «сухая» иммерсия, ни антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) не смогут полностью воспроизвести влияние микрогравитации. Кровообращение в лёгких также связано с внутригрудным давлением, изменения которого влияют на сердечный выброс и венозный возврат крови к сердцу. В условиях реальной и моделированной микрогравитации выражено перераспределение крови в краниальном направлении, сердечный выброс при этом возрастает, а почки выделяют больше жидкости и электролитов [Григорьев, Егоров, 1997]. В 1985 году сотрудниками ИМБП совместно с ВНИИ Пульмонологии получили данные о повышении диффузионной способности легких на 14% при переходе из горизонтального положения в АНОП - 30º, что объясняли увеличением площади диффузии. Легочное кровенаполнение в условиях микрогравитации зависит от изменения гемодинамики целого организма. О вероятном депонировании крови в лёгких и веноартериальном шунтировании, объясняющие снижение напряжения кислорода в артериальной крови в невесомости, упоминали ещё А.М. Генин с соавторами [Генин и др., 1969], Е.А. Коваленко с соавторами [Коваленко и др., 1972; Коваленко и др., 1986] и В.М. Баранов [Баранов, 2011]. Минутная вентиляция лёгких, формирующаяся из частоты и глубины дыхания, определяется уровнем метаболизма в организме, который надо обеспечить. Однако во время космического полета эти показатели могут неадекватно возрастать вследствие эмоционального напряжения [Малкин, Гора, 1990]. Вентиляция и газообмен при физической работе также носят индивидуальные черты, но, во многом, они зависят от длительности полета. Первым отечественным исследователем напряжения кислорода в крови во время полета путем прямых измерений был В.В. Поляков. Во вдыхаемом газе, напряжение О2 в артериальной крови (Рао2) достоверно снижалось на 12 – 30%, при этом в атмосфере корабля более высокое парциальное давление кислорода. В опытах с отрицательным давлением на нижнюю часть тела (ОДНТ) напряжение О2 снижалось на 36%. Сниженное Рао2 в артериальной крови наблюдалось в 40 течение некоторого времени после космического полета, особенно, в горизонтальном положении тела [Баранов, 2006, Баранов, 2011], что по мнению автора связано с гиповолемией лёгких [Баранов, Котов, Тихонов, 2002]. Исследования с участием 9 космонавтов на МКС [Баранов и др., 2011b], выявили статистически значимые различия (р0.05) в длительности задержки дыхания на вдохе. В среднем время задержки дыхания возросло с 58 (в предполётном периоде) до 93 секунд (во время космического полета). На выдохе длительность задержки также достоверно увеличивалась с 25 до 40 секунд соответственно. После возвращения на Землю длительность задержки дыхания возвращалась к исходному уровню. Одной из наиболее вероятных причин увеличения времени задержки дыхания является снижение чувствительности дыхательного центра к углекислоте. Такого же мнения о состоянии дыхательного центра придерживался Р.М. Баевский [Баевский и др., 2011]. Особенности дыхания, а тем более его нарушения, требуют разработки и применения адекватных средств профилактики. Существуют экспериментальные данные, подтверждающие влияние микрогравитации (µG) на регуляцию дыхания человека. Под влиянием микрогравитации происходит перераспределение жидкостей в организме, в результате изменение сосудистого давления в области шеи воздействует на работу периферических хеморецепторов, реагирующих на изменение концентрации газов в крови [Prisk, Elliott, West, 2000]. В результате перемещения жидких сред, устранения гидростатического давления и общей гипокинезии развивается детренированность и частичная атрофия мышц и сосудов, расположенных ниже гидростатически индифферентной точки организма [Prisk, Elliott, West, 2000]. Некоторые эффекты невесомости можно имитировать в наземных экспериментах. Так вентиляционная реакция на изокапническую гипоксию значительно снижается у анестезированных крыс в антиортостатическом положении (АНОП) по сравнению с крысами в горизонтальном положении [Александрова и др., 2008]. Вентиляционная реакция на гиперкапнию у 41 анестезированных крыс в АНОП не изменялась, однако реакция внутрипищеводного давления на рост СО2 была значительно больше, чем у крыс в положении лежа [Donina, Danilova, Aleksandrova, 2009]. В условиях невесомости и в модельных экспериментах получены данные, свидетельствующие о снижении венозного давления и тонуса вен голени. Мозговой кровоток поддерживается на приемлемом уровне за счет уменьшения кровотока по сосудам ног. Было выявлено снижение резистивности артериальных сосудов ниже уровня сердца и увеличение емкости венозной сети ног, что замедляет и занижает венозной возврат. Во время пребывания испытателей в положении АНОП (12 - 24 ч) происходило перераспределение жидких сред организма и последующее закономерное снижение количества общей жидкости тела и внеклеточного объема за счет почечной экскреции жидкости и электролитов. Кроме того, было показано, что в положении АНОП происходит развитие полнокровия в спланханическом бассейне и его неблагоприятное влияние на деятельность брюшных органов [Berger, Dutton, Krasney, 1973; Somers, Mark, Abboud, 1991]. Вероятно, эти механизмы сохранения ортотолерантности, могут привести к значительным изменениям в хемочувствительности. Известно, что во время космических полетов изменяется реакция каротидных барорецепторов [Fritsch et al., 1992], которые взаимодействуют с каротидными хеморецепторами [Somers, Mark, Abboud, 1991; Heistad et al., 1974; Heistad et al., 1975]. В результате исследований в ходе 16 суточного космического полета с участием 5 астронавтов, в рамках которого были проведены исследования до (в вертикальном положении и положении лежа), во время и после (в вертикальном положении и положении лежа) воздействия микрогравитации [Prisk, Elliott, West, 2000]. При этом исследовалась изокапно-гипоксическая вентиляционная реакция (HVR) и гиперкапническая вентиляционная реакция (HCVR). В исследовании участвовали члены команды космической транспортной системы STS – 90 НАСА Нейролаб (далее по тексту, Нейролаб) и шесть членов 42 команды космической лаборатории для исследований в области биологии и микрогравитологии (LMS). Было обнаружено, что вентиляционная реакция на изокапническую гипоксию в условиях микрогравитации была снижена практически на 46% по сравнению с измерениями в вертикально сидячем положении в условиях нормальной гравитации (1G). Причем вентиляционная реакция значительно не изменялась на протяжении всего космического полета. По возвращению на Землю в течение недели наблюдалась слегка повышенная ВР на гипоксию по сравнению с предполетными данными. ВР имеет две компоненты – наклон, который отражает скорость нарастания вентиляции по мере уменьшения насыщения кислородом крови, и значение вентиляции при нулевом значении Saо2. Значения обеих компонент были значимо снижены при условиях микрогравитации, причем степень снижения сравнима со снижением ВР в положении лежа при нормальной гравитации, что отображено на рисунке 10. Рисунок 10 - Вентиляционная реакция на гипоксию для одного из испытуемых при измерении в вертикальном положении тела в условиях нормальной гравитации (А) и микрогравитации (В). Линия - это линейная аппроксимация данных, причем точки (+) выходили за пределы диапазона Saо2 от 75 до 95% насыщения кислородом крови и исключены из анализа [Prisk, Elliott, West, 2000] 43 Основной вклад в изменение вентиляции вносят изменения дыхательных объемов, а не изменение частоты дыхания, значения для которых изучались при 75% насыщении крови кислородом [Prisk, Elliott, West, 2000]. Снижение ВР на гипоксию может быть объяснено изменением нейронного драйва дыхательных мышц. Это заключение было подтверждено результатами изучения инспираторного окклюзионного давления, измерение которого является прекрасным косвенным методом измерения нейронного драйва дыхательных мышц [Whitelaw, Derenne, Milic-Emili, 1975]. Воздействие гипоксии (Рсо2 в пределах от 75 до 85 мм рт. ст.) статистически значимо увеличивает показатели инспираторного окклюзионного давления при любых воздействиях (µG, 1G – в вертикальном и горизонтальном положении тела). В вертикальном положении (1G) увеличение показателей инспираторного окклюзионного давления под действием гипоксии достигало 40%, горизонтальном (1G) – 15%, в условиях микрогравитации давление возрастало на 20%. Сравнение инспираторного окклюзионного давления между сериями при различных видах воздействий представлено на рисунке 11. Таким образом, гипоксический драйв при горизонтальном положении тела (1G) и в условиях микрогравитации смещается, практически, в два раза, что соответствует 50% снижению вентиляционной реакции при этих воздействиях по сравнению с данными в вертикальном положении тела (1G). Более ранние гипоксическую работы, посвященные вентиляционную реакцию, влиянию показали положения сниженную тела ВР на в горизонтальном положении по сравнению с ВР в вертикальном положении тела. Например, Xie et al. в своих исследованиях отметили 43% уменьшение наклона линии аппроксимации ВР на гипоксию в горизонтальном положении тела по сравнению с вертикальным положением [Xie et al., 1993]. Он обнаружил, что при сохранении неизменным вентиляционного ответа на гипероксическую гиперкапнию (HCVR) в различных положениях тела, реакция изменения внутрипищевого давления с момента завершения выдоха при спокойном дыхании до момента максимального вдоха по отношению к изменению парциального 44 давления СО2 на выдохе (ΔPOES,I) была существеннее в горизонтальном положении тела по сравнению с вертикальным. А при значимом (P<0.01) изменении вентиляционной реакции на изокапническую гипоксию (HVR) при различных положениях тела, соотношение ΔPOES,I и Saо2 сохранялось, практически, неизменным [Xie et al., 1993]. Рисунок 11 - Инспираторное окклюзионное давление, измеряемое в течение 100 мс после закрытия клапана вначале вдоха (Р100). Закрашенные в черный цвет прямоугольники отражают значения инспираторного окклюзионного давления при дыхании атмосферным воздухом, заштрихованные – результат при дыхании гипоксической смесью (Ро2 от 75 до 85 мм рт.ст.), белые прямоугольники - при дыхании гиперкапнической смесью (Рсо 2 от 43 до 50 мм рт. ст.). Значения, отмеченные *P<0.05 при сравнении с предполетными вертикальном положении тела, #P<0.05 при сравнении измерениями в с предполетными измерениями в горизонтальном положении тела [Prisk, Elliott, West, 2000] Авторы данной работы предполагают, что воздействия гипоксией и гиперкапнией могут по-разному влиять на соотношение потока и давления в респираторной системе, формируя, таким образом, различный вентиляционный 45 ответ. Изменения наклонов вентиляционной реакции на гипоксию представлены на рисунке 12. Рисунок 12 – Вентиляционная чувствительность к гипоксии, рассчитанная как прирост вентиляции в ответ на снижение Saо2. Данные для каждого обследованного нормированы к предполетным измерениям в вертикальном положении тела. *Р<0.05 отмечены значения, для которых Р<0.05 по сравнению с предполетными данными [Prisk, Elliott, West, 2000] Хорошо известно, что сопротивление воздушному потоку возрастает, а податливость респираторной системы снижается в положении лежа, по сравнению с вертикальным положением [Duggan, Watson, Pride, 1990]. Xie et al. утверждают, что снижение вентиляционной реакции на гипоксию (HVR) в горизонтальном положении частично объясняется увеличением сопротивления воздушному потоку, а частично – ограниченным пиковым значением давления при вдохе. Эти данные дают основание полагать, что при гипоксическом воздействии афферентная обратная связь, относящаяся к генерации респираторного давления, имеет больший вклад в формировании дыхательных паттернов, но при этом респираторные мышцы слабее и быстрее утомляются, чем при гипероксическо – гиперкапническом воздействии [Bye et al., 1984]. Таким 46 образом, сохранение зависимости давления при вдохе ΔPOES,I от Saо2 неизменной при гипоксии, может объясняться тем, что достижение пикового значения ΔP OES,I при определенном Saо2 сдерживается с целью избежать неудобных ощущений при дыхании, приводящих к утомляемости дыхательных мышц. Также известно, что наиболее эффективным способом вывести СО2 из организма является увеличение вентиляции. Исследования Xie et al. продемонстрировали, что увеличение пикового значения ΔPOES,I в горизонтальном положении генерируется для достижения значений вентиляции и дыхательных объемов до уровня значений в вертикальном положении тела [Xie et al., 1993]. Авторы полагают, что дыхательная система в первую очередь стремится сохранить вентиляцию при изменении положения тела в пространстве или создании сопротивления дыханию, причем при воздействии гиперкапнией значительно в большей степени по сравнению с воздействием гипоксией. В исследованиях ВР на членах команды Нейролаб, наблюдалось снижение ВР на гипоксию в условиях микрогравитации и в горизонтальном положении тела (1G) на 50% по сравнению с вертикальным положением тела (1G). О влиянии изменений в сердечно-сосудистой системе на регуляцию дыхания хорошо известно. Исследования на кошках выявили существенное увеличение частоты пульсации аортальных хеморецепторов и небольшое увеличение нейронного ответа от каротидных хеморецепторов под влиянием пониженного артериального давления [Lahiri, 1980; Lahiri et al., 1980]. Тем не менее, влияние гипотензии на частоту пульсации каротидных телец проявлялось наиболее существенно под действием гипоксии, однако, все так же отражалось меньше на аортальных хеморецепторах. В исследованиях на собаках отмечалось аналогичное увеличение активности каротидных телец [Heistad et al., 1974]. Как известно, это происходит посредством центральных нервных путей в результате изменения активности периферических хеморецепторов в отличие от эффектов при непосредственном влиянии на сами периферические рецепторы, так как при изменении давления непосредственно у барорецепторов эффект реакции со стороны хеморецепторов – противоположный. Вентиляция в условиях нормоксии 47 слегка увеличилась при значительном уменьшении кровяного давления у собак [Brunner et al, 1982]. Прямых доказательств о взаимодействии барорефлекcов и хеморефлекcов у людей на сегодняшний день немного. Somers et al. отмечают, что увеличение кровяного давления у каротидных тел сдерживает вентиляционную реакцию на изокапническую гипоксию [Somers, Mark, Abboud, 1991]. В его исследованиях, увеличение кровяного давления в сосудах на 10 мм рт. ст. привело к небольшому увеличению вентиляции, причем на 33% меньше, чем при ВР вызванной гипоксическим стимулом при дыхании 10% кислородом. Разница в давлении крови на уровне сердца в вертикальном и горизонтальном положениях, небольшая [Fritsch-Yelle et al., 1996]. Среднее артериальное давление у испытуемых в этих исследования в горизонтальном положении больше на 3 мм рт. ст. Тем не менее, изменение положения с вертикального в горизонтальное (1G) сглаживает разницу в гидростатическом давлении между уровнями сердца и каротидных тел. Таким образом, в горизонтальном положении тела наблюдается увеличение кровяного давления на 15-20 мм рт. ст. на уровне каротидных телец из-за гидростатического эффекта. В сумме эти два эффекта приводят к увеличению общего давления в области каротидных телец на 20 мм рт.ст. Такое увеличение давления может объяснить уменьшение ВР на гипоксию в положении лежа. В исследованиях с членами экипажа Нейролаба сообщается о более значительном снижении ВР, чем в работе Somers et al. [Somers, Mark, Abboud, 1991], но степень гипоксии в его исследованиях была ниже, чем в Нейролабе (Saо2 снижалась до 75%, когда в исследованиях Somers et al. насыщение крови снижалось до 83-84%). Кроме того, в первом случае кровяное давление на уровне сонной артерии снижалось на 10 мм рт. ст., а во втором - на 20 мм рт. ст. Согласно чувствительны литературным к изменениям данным, аортальные кровяного давления, хеморецепторы чем более периферические хеморецепторы [Lahiri, 1980; Lahiri et al., 1980], поэтому такие небольшие 48 изменения среднего артериального давления вряд ли могут привести к таким результатам, при практически отсутствующей разнице в гидростатическом давлении между уровнями сердца и аортальных хеморецепторов, даже в вертикальном положении тела (1G). Условия микрогравитации приводят лишь к небольшим изменениям кровяного давления на уровне сердца, согласно расчетам, приведенным FritschYelle et al. [Fritsch-Yelle et al., 1996], снижение составляет около 4 мм рт. ст. При отсутствии гравитации, разница гидростатического давления между уровнем сердца и уровнем сонных артерий отсутствует. Таким образом, несмотря на небольшое снижение кровяного давления на уровне сердца, вероятно, что кровяное давление у сонных артерий в условиях микрогравитации значительно выше, чем в вертикальном положении при нормальной гравитации 1G. Эта разница связана с такими физиологическими изменениями как отечность верхних конечностей [Nicogossian, 1989]. Интересны последствия длительных воздействий такого характера. Рисунок 13 отражает вентиляционную реакцию на гипоксию на протяжении всего полета, и хотя, изменения статистически не значимы, можно отметить, что средние значения указывают на то, что реакция может быть значительно ниже при более длительном полете. Расчеты значений кровяного давления согласно Fritsch-Yelle et al. [Fritsch-Yelle et al., 1996] выявили отсутствие статистически значимых изменений в кровяном давлении на протяжении 5-10 дней полета. А значит, снижение вентиляционной реакции на гипоксию не является результатом быстрой адаптации рецепторов. Кровяное давление упало в вертикальном положении сразу после полета на случайную величину [Fritsch et al., 1992]. Через три дня после полета, Fritsch et al. отметили, что у испытуемых кровяное давление вернулось к предполетным показателям. Несмотря на это, исследования Prisk et al. продемонстрировали устойчивый рост ВР на гипоксию после полета, что отображено на рисунке 10B. Причины этого пока неясны, и нельзя исключить некоторое значительное снижение систолического кровяного давления на уровне сонных артерий в этот 49 период. В этих исследованиях наблюдалось существенное снижение ударного объема сердца почти на 10% уже через неделю после полета, хотя при этом сопутствующая тахикардия достигла сердечного выброса [Prisk, Elliott, West, 2000]. В свете этих данных, вероятность того, что систолическое давление на уровне сонных артерий было слегка снижено по сравнению с предполетными данными, давая вклад в увеличение ВР на гипоксию, которая наблюдалась в вертикальном положении после полета. Рисунок 13 - Вентиляция при Saо2 равном 75% при гипоксическом стимуле. Утолщенной линией в левой части рисунка отмечено среднее значение предполетных контрольных значений [Prisk, Elliott, West, 2000] В нескольких ранних работах предполагалось, что снижение ВР на гипоксию в горизонтальном положении связано с увеличением сопротивления дыхательному потоку и ограничению давления при вдохе [Attinger, Monroe, Segal, 1954; Duggan, Watson, Pridel, 1990]. Однако в последующих работах утверждают, что эти эффекты вносят лишь малый вклад [Xie et al., 1993]. Прежде Prisk et al. изучали форсированные параметры спирометрии в похожей выборке, состоящей из астронавтов в различных положениях тела. Хотя, при небольшом снижении форсированной жизненной емкости и форсированного объема выдоха за 1 секунду в горизонтальном положении (1G) или во время полета, эти изменения 50 вряд ли объясняют увеличение вентиляции до такого уровня, в ответ на гипоксию в исследованиях на Нейролабе. Значение инспираторного окклюзионного давления в условиях микрогравитации не отличаются от значений в горизонтальном положении тела при нормальной гравитации, что представлено на рисунке 11. Такой результат не дает оснований полагать, что причины сниженной ВР на гипоксию исключительно механические. Кроме того, не наблюдали никаких существенных отличий в значениях инспираторного окклюзионного давления при различных условиях при исследовании ВР на гиперкапнию. Примечательно, что значимых изменений в вентиляционной реакции на гиперканию обнаружено не было. В обоих исследованиях (Нейролаб и LMS) микрогравитация существенно не повлияла на вентиляционную реакцию. Было обнаружено значимое, но небольшое снижение ВР в горизонтальном положении по сравнению с вертикальным в послеполетной серии (1G), однако, в предполетной серии подобных значимых наблюдений обнаружено не было. Кроме того, не было обнаружено значимых изменений в ВР для послеполетной серии по сравнению с предполетными данными. Тем не менее, есть основания утверждать, что наклон ВР увеличивается в условиях микрогравитации и в горизонтальном положении (1G) тела по сравнению с вертикальным положением тела, что сопровождается увеличением значения Pсo2 для нулевого значения вентиляции – точки срыва. И только данные по сдвигу точки срыва показали статистическую значимость. Изменения наклонов вентиляционной реакции на гиперкапнию представлены на рисунке 14. Кроме того, значения парциального давления углекислого газа на выдохе при дыхании покоя статистически значимо, но не очень сильно возросло для членов экипажа Нейролаба. Увеличение Pсo2 от 36 до 39 мм рт.ст. было ниже увеличения Pсo2 при изменении положения тела из вертикального в горизонтальное (от 36 до 41 мм рт.ст.), но увеличивает вероятность сдвига вниз заданного набора точек Pсo2. Ранние исследования, полученные в термобарокамере, в которой Pсo2 увеличивали на 1.2 % (8.6 мм рт. ст.), показали 51 увеличение для заданного набора точек [Elliott et al., 1998], которое постепенно ослаблялось. Тем не менее, и эти исследования не показали статистически значимых изменений при поддержании в системе Pсo2, равного 5 мм рт. ст. Касательно Нейролаба, где Pсo2 поддерживалось равным около 2.3 мм рт. ст., что значительно ниже, чем в исследованиях с термобарокамерой. Хотя в LMS параметры окружающей среды такие же, в этих исследованиях статистически значимых изменений физиологических параметров обнаружено не было. Рисунок 14 - Вентиляционные реакции на гиперкапнию. Данные для каждого испытуемого нормированы к предполетным измерениям в вертикальном положении тела [Prisk, Elliott, West, 2000] Влияния µG на дыхательный объем при гиперкапническом воздействии (Pсo2 = 60 мм рт. ст.) обнаружено не было, однако, было небольшое, но статистически значимое уменьшение дыхательного объема в горизонтальном положении по сравнению с вертикальным положением (1G), которое всецело объясняет снижение вентиляции, поскольку изменений в частоте дыхания обнаружено не было. Отсутствие изменений в дыхательном объеме в условиях микрогравитации очень показательно, поскольку оно указывает на то, что при стимуляции вентиляции по существу не было механических причин для ограничения увеличения дыхательного объема. Таким образом, вполне 52 обоснованно предположить, что снижение дыхательного объема при гипоксическом воздействии в условиях микрогравитации – результат изменений в нейронном драйве к дыхательным мышцам, а не следствие недостаточной работы некоторых мышц воздействиях под (гипоксии действием и микрогравитации. гиперкапнии) было Однако при обнаружено обоих снижение дыхательного объема в горизонтальном положении по сравнению с вертикальным положением, а значит, некоторый вклад в снижение ДО могут вносить дыхательные мышцы, которые механически менее эффективно способны отвечать на стимулы в горизонтальном положении тела. Существенных изменений инспираторного окклюзионного давления под влиянием гиперкапнии в различных условиях и при различных положениях тела выявлено не было. Таким образом, эти данные достаточно согласованы с результатами по вентиляционной реакции на гиперкапнию. Наибольший вклад в вентиляционную реакцию на гиперкапнию приписывается центральным хеморецепторам. Тем не менее, значительный вклад так же вносят каротидные хеморецепторы [Lugliani et al., 1971]. Prisk et al. пришли к выводу, что хотя реакция центральных хеморецепторов на СО 2 не изменилась в условиях микрогравитации, изменение реакции со стороны периферических хеморецепторов может иметь место. Однако исследования с членами Нейролаба дают основания полагать, что дело обстоит не так, и это соответствует результатам группы исследователей Xie et al., которые обнаружили снижение в ВР на гипоксию, но не на гиперкапнию, в положении лежа по сравнению с вертикальным положением. Тем не менее прирост СО2 был значительно медленнее при тестировании в горизонтальном положении, вероятно, в результате увеличения сердечного выброса в этом положении тела [Prisk et al., 1993]. Результаты показали, продолжительная микрогравитация приводит к значительному снижению реакции на изокапническую гипоксию по сравнению с реакцией в вертикальном положении на Земле, в реакции на гиперкапнию значимых отклонений замечено не было. Это можно объяснить подавлением гипоксического драйва, но не гиперкапнического драйва, в результате увеличения 53 кровяного давления у каротидных барорецепторов под действием микрогравитации или в положении лежа на спине при нормальной гравитации. Тем не менее, дыхание в условиях гипоксии приводит к значительному увеличению инспираторного окклюзионного давления при измерениях в вертикальном положении (1G) по сравнению с условиями микрогравитации или горизонтальным положением тела (1G). Сниженное окклюзионное давление указывает на ослабление реакции со стороны респираторных центров. Отсутствие статистически значимых изменений в ответ на гиперкапнический стимул дают основание полагать, что условия микрогравитации не влияют на реакцию центральных хеморецепторов, отвечающих за гиперкапнический драйв. Результаты исследования вентиляционной реакции на гипоксию хорошо согласуются с данными по ослаблению ответной реакции со стороны хеморецепторов на увеличение кровяного давления у каротидных барорецепторов в условиях микрогравитации (µG) или в горизонтальном положении тела (1G) по сравнению с вертикальным положением тела при нормальной гравитации [Prisk, Elliott, West, 2000]. 54 1.5. Актуальность клинических исследований механизмов регуляции дыхания В последнее время активно публикуются новые данные по изучению регуляции дыхания с целью применения полученных знаний в клинических обследованиях, в частности, весьма актуальны вопросы, связанные с влиянием хронической прерывистой гипоксии на регуляцию дыхания человека. В исследованиях бодрствующих пациентов с синдромом обструктивного апноэ сна отмечают повышенную симпатическую активность, проявляющуюся после периода сна [Carlson et al., 1993; Hedner et al., 1992]. Кроме того, у людей с синдромом остановок дыхания во сне отмечается увеличенная реакция респираторной системы на острую гипоксию [Leuenberger et al., 2007]. Такие изменения могут приводить к перенастройке рефлекторных связей мозговых клеток, которые вовлечены в регуляцию симпатической нервной системы [Greenberg et al., 1999; Dumas et al., 1996]. Исследования с прерывистой гипоксией показали, что воздействие длительной прерывистой гипоксии может привести к функциональным изменениям или изменению ответа возбуждающих симпатических нейронов в ростральном вентролатеральном спинном мозге или нейронных цепях вовлеченных в формирование ответной реакции [Eckberg, Nerhed, Wallin, 1985]. Таким образом, увеличивается симпатическая активность на стимуляцию хеморецепторов. Регистрируя активность преганглионарной части цервикального симпатического нерва (разряды в симпатическом нерве) обнаружили, что пики паттерна этого сигнала, характеризующего управление дыханием, совпадают с моментами позднего вдоха и раннего выдоха. При этом исследовалась симпатическая активность, как целого нерва, так и отдельных нервных волокон у бодрствующих людей [Eckberg, Nerhed, Wallin, 1985] и анестезированных крыс [Haselton, Guyenet, 1989]. Разряды в симпатическом нерве, возникающие в зависимости от дыхательных циклов, вероятнее всего центрального характера, поскольку его временной характер не изменяется при ваготомии, перерезке нерва 55 каротидного синуса или при изменении частоты дыхания [Czyzyk-Krzeska, Trzebski, 1990]. Кроме того, основаниями полагать, что это явление центрального характера, могут быть результаты исследований, продемонстрировавших похожие симпатические спинном нейронные мозге непосредственно в соединения зависимости передают от в ростральном вентролатеральном фазы дыхательного возбуждение спинальным цикла, которые симпатическим преганглионарным нейронам [Haselton, Guyenet, 1989]. В связи с тем, что в исследовании не регистрировался сигнал с постганглионарных волокон, роль периферических ганглий в описанной выше реакции экспериментаторами не комментируется. Таким образом, перенастройка барорефлекса или функциональные изменения в барорецепторах могут быть следствием длительного воздействия прерывистой гипоксией [Xie et al., 1991]. Это может уменьшить задержку возникновения разрядов в симпатическом нерве, вызванную барорецепторами. Тем не менее, в этих исследованиях доказательств функциональных изменений в барорецепторах обнаружено не было. Влияние на симпатическую активность посредством регуляции барорецепторами исключается, поскольку при исследовании барорефлекса, оценивая изменение ЧСС в зависимости от увеличения артериального давления, значимых различий по группам обнаружено не было [Dumas et al., 1996]. Механизм, приводящий к повышенной реакции со стороны симпатического отдела нервной системы в ответ на периодическое краткосрочное воздействие гипоксии – до конца не изучен. Существуют две основные теории, объясняющие эти явления. Во-первых, краткосрочная гипоксия может приводить к изменениям в нейрохимических процессах в стволе головного мозга. Это было продемонстрировано в исследованиях влияния периодического воздействия гипоксии на животных, которое могло активировать серотонин зависимые проводящие пути, стимулирующие деятельность респираторной системы в течение продолжительного времени [Mitchell, Johnson, 2003]. Согласно альтернативной теории, к такому эффекту могут привести функциональные 56 изменения в артериальных хеморецепторах под влиянием активных форм кислорода, получаемых в результате циклически повторяющейся гипоксической реоксигинации [Peng et al., 2003]. В любом случае эти процессы необходимо изучать более детально. Различие механизмов увеличения активности симпатической системы при повышенном кровяном давлении в ответ на периодическое краткосрочное воздействие гипоксии и увеличением активности симпатической системы без изменения кровяного давления во время продолжительного воздействия гипоксии требуют пояснений. В большинстве подобных исследований регистрируется только симпатический вазоконстрикторный сигнал, а не метаболические вазодилататоры в тканях и реакция сердечного выброса в ответ гипоксию. Предполагается, что во время систематического воздействия гипоксии вырабатываются вазоактивные метаболиты, такие как аденозин и окись азота, которые приводят к вазодилатации скелетной мускулатуры [Leuenberger, Gray, Herr, 1999], которая сопровождается сердечным выбросом [Richardson et al., 1967]. Таким образом, неизменность (систематической) продолжительной симпатическую активность, кровяного гипоксии, является давления несмотря на результатом во время повышенную периферической вазодилатации. Во втором случае, увеличение давления крови в ответ на периодическое постоянно краткосрочное увеличивающейся воздействие гипоксии, симпатической вероятно, вазоконстрикторной результат нервной активности с момента тканевой гипоксии и растворения соответствующих метаболических вазодилататоров. Хроническое воздействие прерывистой симпатическую чувствительность на последующее гипоксии увеличивает воздействие гипоксии, гиперкапнии и гипоксии, сочетанной с гиперкапнией. Изменение симпатической активности в ответ на другие стимулы не исключается. Результаты исследования подтверждают предположения о пластичности механизмов нервной регуляции в ответ на стимуляцию хеморецепторов. Таким образом, длительная прерывистая гипоксия может являться одним из патогенных факторов, приводящих к развитию 57 повышенной симпатической активности у пациентов с синдромом остановок дыхания во сне. Известно, что продолжительная терапия дыханием воздухом при положительном градиенте давления снижает активность симпатической нервной системы [Hedner et al., 1995]. Данные этих исследований очень важны, поскольку они подтверждают, что регулярная стимуляция хеморецепторов, даже краткосрочная, оказывает существенное влияние на кровяное давление и автономную нервную регуляцию. Кроме того, эти данные позволяют заключить, что периодическое краткосрочное воздействие гипоксии может быть результатом хронической симпатической активности, гипертензии или повышенной хемочувствительности у пациентов с синдромом остановки дыхания во сне. Поэтому предупреждение краткосрочного воздействия гипоксии посредством терапии дыханием воздухом при положительном градиенте давления позволит предотвратить негативные нейроциркуляторные и кардиоваскулярные изменения при апноэ во время сна. 58 1.6. Анализ современного стендового испытательного оборудования и технологий исследования хемочувствительности Первоначальные системы для исследования хемочувствительности на животных представляли собой герметичные камеры с подведенными к ней датчиками. Животных помещали в эти камеры целиком. За многие годы системы были адаптированы для исследования вентиляционных характеристик человека, и приняли более привычный для современного обозревателя вид. Обследуемый был вынесен за пределы системы и в качестве рабочего пространства стали использовать мешок, в который осуществлялось возвратное дыхание. В одной из статей был описан аппарат, используемый в процессе возвратного дыхания, наиболее близкий по своей структуре на разрабатываемую модель, однако значительно отдаленный по своим функциональным характеристикам [Mohan, 1997]. Во время возвратного дыхания обследуемый надевал носовой зажим и дышал через мундштук, соединенный с одной стороны с широким Y-образным клапаном. Клапан позволял перейти от дыхания комнатным воздухом к мешку для возвратного дыхания. Пятилитровый мешок для возвратного дыхания был заключен в жесткий контейнер. Трубка диаметром 50 мм была соединена со спирометром Morgon Spiroflow, позволяющим регистрировать изменения вентиляции от вдоха к вдоху внутри мешка. Схематическое изображение аппарата представлено на рисунке 15. Выдыхаемый газ отводился от рта через заборное отверстие, к которому подключена трубка небольшого диаметра на Y-образном клапане. Скорость потока через канал составляла 90 мл/мин и позволяла непрерывно анализировать углекислый газ с помощью фотоакустической инфракрасной спектроскопии с разрешением в 1 мм рт.ст., и кислород – магнитоакустикой системой с разрешением в 4 мм.рт.ст. Проба газов возвращалась обратно после анализа через входное отверстие в мешке. 59 Рисунок 15 - Схематическое изображение аппаратуры, используемой для проведения теста с возвратным дыханием [Rapanos, Duffin, 1997] Шестнадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь Vetter Digital PCM recording adapter оцифровывал аналоговые сигналы с самописца, спирометра и газоанализатора, для хранения на видеокассете. Кроме того, 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь SP Innovations оцифровывал аналоговый сигнал напрямую в компьютер для анализа, регистрируя времена вдоха и выдоха, парциальные давления углекислого газа и кислорода в конце выдоха. Самописец записывал на бумаге со скоростью 100 мм/мин значения парциального давления двуокиси углерода и кислорода [Duffin, 2007]. Во время продолжительных полетов членов экипажа Нейролаба и LMS для исследования вентиляционной реакции методом возвратного дыхания использовалась установка, которая представляет собой систему мешка в боксе, исходная газовая смесь для которой, подготавливалась заранее и хранилась на борту в баллонах [Prisk, Elliott, West, 2000]. Воздушный поток измерялся с помощью пневмотахографа Fleisch №2, который был вмонтирован в стенку бокса с мешком для возвратного дыхания. Мгновенные значения концентраций газов регистрировались у рта испытуемого квадрупольным спектрометром. Частота сигналов – 200 Гц. 60 Во время космического полета система управлялась непосредственно самим обследуемым, а во время экспериментов на Земле – оператором. Сатурацию артериальной крови (Saо2) регистрировали портативной системой Vitaport II (Temec Instruments, Kerkrade, Нидерланды) и пальцевым датчиком Ohmeda Flex II (Ohmeda, Луисвилл, СО) с безымянного пальца на левой руке. Для регистрации параметров газовой смеси применяли масспектрометр GASMAP и модифицированную версию квадрупольной системы Marquette Electronics (Милуоки, WI). Датчики калибровали до и после космического полета. Датчик воздушного потока калибровали трехлитровым калибровочным шприцем, соответствующие данные были приведены к условиям BTPS. Расчеты производили с учетом поправки на временные задержки. Во время возвратного дыхания с нарастающей гипоксией нагнетатель воздуха прогонял газовую смесь через емкость, наполненную натронной известью (Puritan Bennett, Lenexa, KS). Концентрацию СО2 на выдохе регистрировали от вдоха к вдоху, а скорость нагнетателя воздуха выставляли таким образом, чтобы достичь желаемого уровня концентрации СО2. Клапан между загубником и мешком для возвратного дыхания предусматривал возможность перекрытия дыхательного потока для измерения инспираторного окклюзионного давления. Изменение давления регистрировали дифференциальным датчиком давления MP-45 (Validyne, Northridge, CA). В исследовании вентиляционной реакции на изокапническую гипоксию использовали газовую смесь с составом 17% О2, 7% СО2 и сбалансированную N2. Возвратное дыхание продолжалось в течение 4 минут, до уровня 43 мм рт. ст. вдыхаемого Po2 или до отказа испытуемого от прохождения теста. Инспираторное окклюзионное давление измеряли на уровне 86 мм рт. ст. выдыхаемого Po2. Выдыхаемое Рсо2 поддерживалось на уровне 45.6±0.4 мм рт. ст. Вентиляционную реакцию на гипоксию рассчитывали как тангенс угла наклона линии линейной аппроксимации значений вентиляции при соответствующих значениях Saо2. Таким образом, вентиляционную чувствительность к гипоксическому стимулу, 61 оценивали наклоном линии, отражающей прирост вентиляции в ответ на снижение Saо2 на диапазоне от 95% до 75 % насыщения крови кислородом. В исследовании вентиляционной реакции на гиперкапнию использовали газовую смесь с составом 7% СО2, 60% О2 и сбалансированную N2 (тесты на LMC проводились с 6% СО2). Возвратное дыхание продолжалось в течение 4 минут, до достижения уровня 70 мм рт. ст. вдыхаемого Pсo2 или до отказа испытуемого от прохождения теста. При этом Ро2 уменьшалось до 190-143 мм рт. ст. Инспираторное окклюзионное давление измерялось на уровне Pсo2 равном 54 мм рт.ст. Вентиляционную реакцию на гиперкапнию рассчитывали как тангенс угла наклона линии соответствующих линейной значениях аппроксимации РЕТсо2. Таким значений образом, вентиляции при вентиляционную чувствительность к гиперкапническому стимулу, оценивали наклоном линии, отражающей прирост вентиляции в ответ на снижение РЕТсо2 на диапазоне от 50 до 65 мм рт. ст. Инспираторное окклюзионное давление измеряли на вдохе в течение 100 мс с момента перекрытия дыхательного потока. Измеряемая величина применялась в качестве параметра, характеризующего нейронный драйв. Изменение давления регистрировали с момента перекрытия дыхательного потока до момента открытия клапана. Методика возвратного дыхания, предложенная A. S. Rebuck и E.J.M. Campbell [Rebuck, Campbell, 1974], имеет некоторые недостатки. По причине больших запасов СО2 в тканях организма равновесие в системе «мешок для возвратного дыхания – человек» достигается лишь по прошествии нескольких минут [Read, Nickolls, Hensley, 1977]. В связи с этим, методику возвратного дыхания необходимо соответствующим образом модифицировать [Mahutte, Rebuck, 1978] – выдыхаемое Pсo2 поддерживается постоянным в течение 6 минут до начала фазы гипоксического воздействия, обеспечивая выравнивание концентрации углекислого газа в системе. В исследованиях с участием астронавтов тесты с возвратным дыханием во время космического полета прекращались на уровне Pсo2 значительно ниже 62 уровня Pсo2, достигнутого в тестах, проведенных на Земле. Это может быть связано с более медленным накоплением СО2 в системе или следствием того, что испытуемые сами являлись экспериментаторами, таким образом сознательно останавливали тест досрочно. Во время исследований в условиях гипербарии, которыми сотрудники лаборатории «Физиология и биомеханика кардиореспираторной системы» ГНЦ РФ - ИМБП РАН занимаются последние 30 лет, использовали установку на базе устройства для оценки ответа дыхательного центра [Яхонтов, Шулагин, 1983; Суворов, 1986], структурно схожую с описываемыми системами [Шулагин и др., 2012; Ermolaev et al., 2012]. Схема устройства представлена на рисунке 16. Установка позволяет проводить два вида теста: - Вентиляционная реакция человека на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, при возвратном дыхании воздухом. - Вентиляционная реакция человека на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической газовой смесью. Известные устройства-аналоги имеют следующие недостатки: 1) необходимо дополнительное оборудование, в частности, баллоны со сжатым углекислым газом и кислородом, что не позволяет использовать устройства в гермообъектах в связи с ограничением на использование баллонов; 2) скорости нарастания концентрации СО2 и снижения концентрации О2 определяются подключенного объемом к биотехнической нему человека, системы, включающей индивидуальными АПК и, метаболическими особенностями испытуемого и характеристиками известнякового химического поглотителя СО2 (ХПИ). Различия указанных характеристик в различных экспериментах могут привести к ошибочной интерпретации результатов; 3) плохая сопоставимость результатов, полученных с помощью разных методик. 63 Рисунок 16 – Схема дыхательного контура установки для тестов с возвратным дыханием. 1 – мешок в боксе; 2 – датчик потока; 3 – распределитель потока между патроном с ХПИ и байпас; 4 – респиратор с забором газа на анализаторы О2 и СО2; 5 – патрон с ХПИ Одной из задач диссертационной работы является разработка аппаратнопрограммного комплекса респираторной системы для человека исследования с учетом вентиляционной достоинств и реакции недостатков существующих аналогов. Необходимость проработки методики исследования и подготовки рекомендаций для реализации подобной системы определили другую задачу диссертационной работы, а именно, разработку математической модели биотехнической системы, включающей кардиореспираторную систему человека и аппаратно-программный комплекс. 64 Глава 2. Методологические рекомендации по проведению исследований на базе аппаратно-программного комплекса для исследования хемочувствительности 2.1. Разработка аппаратно-программного комплекса для исследования хемочувствительности По результатам исследований 2010 года обнаружилась необходимость доработки экспериментальной установки. С учетом современных технологий и развития медицинской техники и автоматики управление всеми элементами экспериментальной установки необходимо осуществлять с ПК. Кроме того, для уменьшения времени проведения некоторых тестов было решено уменьшить объем емкости для возвратного дыхания. С учетом условий работы персонала, обслуживающего установку, нужно сделать ее мобильной, передвижной и «самодостаточной». С учетом последних тенденций разработки программно аппаратных комплексов установка должна иметь эстетичный вид и не должна вызывать чувство страха и неприязни у испытуемого. Была разработана функциональная схема работы АПК и конструктивные решения каждого узла разрабатываемого оборудования (Положительное решение по заявке на патент РФ №2014102286 на изобретение от 24.01.2014). Технический результат достигается за счет: - возможности использования только собственного метаболического углекислого газа для оказания гиперкапнического воздействия; - использования принципа управления комплексом посредством обратной связи, под которой подразумевается управление потоком газовой смеси через химический поглотитель или байпас за счет нагнетателя воздуха. При этом величины потоков через химический поглотитель и байпас зависят от содержаний углекислого газа и кислорода в контуре, а также вентиляции человека. Производительность (поток) нагнетателя воздуха подстраивается под собственную вентиляцию обследуемого так, чтобы человек не ощущал сопротивления вентиляции; 65 - использования генератора кислорода для заполнения системы гипероксической смесью, и дозированной подачи кислорода в систему, применяемых в тесте дыхания гипероксической газовой смесью и при поддержании в системе постоянной концентрации кислорода (изооксическая газовая смесь); - автоматизации измерений. Разработанный комплекс состоит из трех блоков: А1 – блок газораспределения; А2 – блок подачи газов; А3 – блок сбора, обработки данных и управления системой. Функциональная схема АПК представлена на рисунке 17. Рисунок 17 - Функциональная схема работы АПК Блок газораспределения представляет собой замыкаемый и размыкаемый дыхательный контур. В состав блока А1 входят следующие основные элементы, соединенные между собой посредством трубок: 1) металлическая емкость с мешком; 2) нагнетатель воздуха; 3) химический поглотитель углекислого газа ХПИ; 4) регулятор потока через ХПИ; 5) система клапанов и трехходовых кранов, шлангов, клапанной коробки; 66 6) устройство, выполненное с возможностью реализации биологической обратной связи (БОС) посредством отметки испытуемым своего состояния и передачи данных о состоянии в терминальное устройство блока А3. Элементы соединены между собой трубками большого сечения, что обеспечивает малое сопротивление дыханию. Блок наполняется дыхательной газовой смесью определенного состава. Газораспределение регулируется выбором направлений потоков путем переключения системы трехходовых кранов, скоростью потока и начальными параметрами наполняемой газовой смеси в контуре. Небольшой рабочий объем дыхательного контура (20 литров) при отключенном химическом поглотителе обеспечивает высокую скорость наполнения системы углекислым газом, регулируемый поток через химический поглотитель и байпас посредством электроуправляемого крана и скорость потока посредством вентилятора позволяют варьировать скорость наполнения системы в широком диапазоне. В состав блока А3 входят следующие основные элементы: 1) персональный компьютер с программным обеспечением, реализующим управление движением газов и их параметрами в блоке А1; 2) газоанализаторы; 3) датчики воздушных потоков; 4) датчики измерения физиологических параметров, информация с которых посредством аналого-цифрового преобразователя АЦП передается на терминальное устройство. АПК выполнен с возможностью управления газовым составом дыхательной смеси и оценки состояния системы регуляции дыхания. Работа на АПК выполняется в два этапа: подготовительный этап и этап оценки состояния системы регуляции дыхания. Этап оценки состояния системы регуляции дыхания производится последовательно в двух режимах работы АПК. Задаваемыми с помощью аппаратно-программного управления режимами являются: 67 1) Режим дыхания атмосферным воздухом, в котором реализуются и исследуются следующие маневры: спокойное дыхание, задержка дыхания, гипервентиляция и восстановление после возвратного дыхания. 2) Режим возвратного дыхания, в котором реализуются и исследуются следующие маневры: а) гипоксическо-гиперкапническое, гипероксическо-гиперкапническое, гипоксическо-изокапническое, изооксическо-гиперкапническое, гипоксическо-пойкилокапническое возвратное дыхание; б) задержка дыхания, гипервентиляция. Аппаратно-программный комплекс для исследования вентиляционной реакции человека на измененную газовую смесь представлен на рисунке 18, выноски на рисунке описаны далее по тексту. Рисунок 18 - Модель 3D аппаратно-программного комплекса для исследования вентиляционной реакции человека на измененную газовую смесь Блок А2 обеспечивает регулируемую подачу в блок А1 газовой смеси посредством электроуправляемого дросселя. В состав блока входит блок формирования газовой смеси, в качестве которого может использоваться генератор кислорода, и, причем для генерации кислорода используется любой генератор кислорода, в том числе может быть адсорбционный генератор 68 кислорода, при этом заполнение блока А1 углекислым газом может происходить только за счет газа, выделяющегося у обследуемого человека в результате собственного метаболизма. Дыхательный контур вмонтирован в доработанный передвижной медицинский столик на колесиках с тормозом, исключающим передвижение столика во время проведения экспериментов. В конструкции установки предусмотрены площадки для установки газоанализаторов и контейнера для специальных переходников, запасных частей и прочих деталей. Установка оборудована подставкой под персональный компьютер, которая легко складывается и крепится ремнями к боковой стороне установки для удобной транспортировки. Кроме того, она оборудована штангой-держателем для клапанной коробки, подключаемой к испытуемому. Штанга-держатель позволяет перемещать и закреплять клапанную коробку в пространстве относительно обследуемого, что позволяет проводить исследования в различных позах и условиях, не причиняя неудобства обследуемому. Конструкция является быстро разборной, что позволяет дезинфицировать ее отдельные части после длительных экспериментов. Конструкция предусматривает мешок-чехол, полностью закрывающий установку, что обеспечивает защиту от загрязнений при транспортировке или длительном хранении. На рисунках 17 и 18 введены следующие обозначения: 1 – датчик воздушного потока; 2 – фильтр; 3 – загубник; 4 – клапанная коробка; 5 – газозаборник газоанализатора; 6 – штанга; 7 – шланг; 8 – планшет; 69 9 – трехходовой кран; 10 – четырех ходовой кран (смыкает/размыкает контур); 11 – бокс с мешком; 12 – нагнетатель воздуха с электроприводом; 13 – медицинский столик; 14 – трехходовой кран с электроприводом; 15 – химический поглотитель СО2 (ХПИ); 16 – блок управления электроприводом; 17 – блок питания; 18 – блок формирования газовой смеси; 19 – электроуправляемый дроссель; 20 – подставка под терминальное устройство; 21 – терминальное устройство; 22 – блок беспроводной передачи данных; 23 – газоанализаторы; 24 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 25 – патрубок. Для проведения тестов на аппаратно-программном комплексе используется следующее оборудование: пульсоксиметр «Nonin», газоанализаторы, генератор кислорода, секундомер. Перед исследованием выполняется подготовительный этап, в котором осуществляется дозированная подача газов из блока подачи газов (А2) в блок газораспределения (А1). Характеристики газовой смеси контролируются с интерфейса АПК. После наполнения системы газовой смесью дыхательный контур замыкается, нагнетатель воздуха непрерывно перемешивает смесь в дыхательном контуре, а поток через химический поглотитель углекислого газа перекрыт посредством крана с электроприводом. Обратный клапан исключает самопроизвольное поглощение углекислого газа из контура при перекрытом химическом поглотителе углекислого газа. 70 Далее следует этап оценки состояния системы регуляции дыхания, при этом обследуемый подключается к загубнику, подключенному к клапанной коробке через бактерицидный фильтр. Дыхание производится через рот, носовой проход перекрывается. Вдох производится через рукав вдоха, выдох – через рукав выдоха. В режиме свободного дыхания дыхательный контур замкнут, а испытуемый подключен через рукава вдоха и выдоха, систему кранов на атмосферу. Датчики газоанализатора и датчик воздушного потока регистрируют состав газовой смеси и дыхательный поток при свободном дыхании. АПК мгновенно переходит в режим возвратного дыхания переключением кранов, при этом обследуемый подключается к дыхательному контуру. Нерастяжимый мешок в металлическом боксе изменяет объем в соответствии с дыхательными циклами человека. Подключенный к мешку датчик воздушного потока позволяет регистрировать дыхательный поток испытуемого. Испытуемый начинает режим возвратного дыхания после глубокого выдоха в атмосферу. Затем он делает вдох из контура. Так как контур представляет собой замкнутую систему определенного объема, то во время вдоха ранее спавшийся нерастяжимый мешок раздувается на объем вдоха. Затем обследуемый делает выдох в контур. При этом мешок спадает на объем выдоха в контур. Таким образом, совершаются дыхательные циклы во время возвратного дыхания вплоть до переключения на дыхание атмосферным воздухом. Мешок связан с атмосферой через датчик воздушного потока. Так как суммарный объем газа в мешке и газа, находящегося в боксе вне мешка всегда равен объему бокса, то объем вдоха и выдоха в пространство бокса вне мешка вызывает изменение объема мешка, равное объему вдоха и выдоха. При этом из мешка через датчик воздушного потока проходит атмосферный воздух постоянного состава, что обеспечивает точную регистрацию дыхательных объемов и вентиляции обследуемого. Непосредственная регистрация дыхательного потока в контуре не обеспечивает точную регистрацию потока, так как в ходе возвратного дыхания состав воздуха в контуре изменяется, а характеристики датчика воздушного потока зависят от состава воздуха. Величины 71 дыхательных объемов и вентиляции далее используются для оценки состояния системы регуляции дыхания человека. Режим возвратного дыхания продолжается вплоть до отказа или до достижения заданного состава воздуха в дыхательном контуре. Нагнетатель воздуха обеспечивает непрерывный поток в контуре, равномерное перемешивание газовой смеси и уменьшает сопротивление дыханию обследуемого при вдохе и выдохе, подстраивая производительность нагнетателя воздуха под собственную вентиляцию человека. После завершения режима возвратного дыхания АПК переходит в режим дыхания атмосферным воздухом, при этом обследуемый снова переключается на атмосферу с помощью кранов. Для продувки дыхательного контура четырехходовой кран размыкает контур, а нагнетатель воздуха в течение нескольких минут продувает его. В контуре предусмотрен патрубок для взятия проб газа из контура во время эксперимента, вмонтированный в контур последовательно с нагнетателем воздуха. Патрубок может быть использован для подключения к нему газозаборника газоанализаторов, датчика давления и при необходимости подключения к нему блока подачи газов (А2). Для управления АПК на персональный компьютер устанавливается соответствующее программное обеспечение, кроме того, данная система предусматривает и ручной режим управления. Программное обеспечение позволяет задавать автоматический режим управления параметрами газовой смеси в контуре, при этом изменение потока через химический поглотитель и скорость потока в системе, а так же переключение на свободное дыхание выполняются автоматически в зависимости от парциальных давлений кислорода и углекислого газа, скорости нарастания и вентиляции испытуемого. Это позволяет системе подстраиваться под испытуемого и задавать одинаковое воздействие на обследуемых. 72 В системе предусмотрен ручной режим управления, позволяющий вносить корректировки в режим работы АПК, в управление скоростью потока через химический поглотитель, а также для преждевременной остановки эксперимента. Программное обеспечение позволяет: - регистрировать сигналы с датчиков; - обрабатывать получаемый сигнал; - регулировать поток через химический поглотитель; - регулировать поток от генератора кислорода. Техническая реализация аппаратно – программного комплекса для исследования вентиляционной реакции респираторной системы на различные воздействия представлена на рисунке 19. Рисунок 19 – Исследование вентиляционной реакции на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, с помощью разработанного АПК 73 2.2. Методика исследования вентиляционной реакции В диссертационную работу включены исследования с участием добровольцев, проведенные в ГНЦ РФ – ИМБП РАН, которые были дополнены программой по изучению вентиляционной реакции на хеморецепторные стимулы в различных условиях: - пребывание в антиортостатическом положении тела; - пребывание в «сухой» иммерсии; - пребывание в аргоносодержащей и азотосодержащей гипоксической атмосфере. В этих условиях измеряли: - Вентиляционную реакцию человека на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией (ВД1); - Вентиляционную реакцию человека на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической газовой смесью (ВД2); В исследовании влияния положения тела на вентиляционную реакцию кардиореспираторной системы человека участвовали восемь здоровых молодых людей в возрасте от 20 до 25 лет (22.3±2.0 лет, здесь и далее среднее ± среднеквадратичное отклонение). Каждый испытуемый выполнял тесты с возвратным дыханием гипероксической газовой смесью и с возвратным дыханием воздухом (гипоксической стимуляцией). Тесты проводили в двух положениях тела: в вертикальном, сидя на стуле, и АНОП, лежа на кушетке под углом -12.5 градусов [Ermolaev et al., 2012]. В исследовании вентиляционной реакции в условиях «сухой» иммерсии участвовали двенадцать здоровых молодых людей в возрасте от 19 до 26 лет (21.7±2.0 лет). Каждый обследуемый выполнял 4 серии экспериментов: в положении сидя до «сухой» иммерсии, после 1 часа пребывания в «сухой» иммерсии, на 3 день пребывания в иммерсии и в положении сидя через час после завершения пребывания в иммерсии [Goncharov et al., 2014]. 74 В исследовании влияния длительной гипоксии при дыхании различными ДГС участвовали пятеро здоровых мужчин в возрасте от 24 до 42 лет (33.4 ±8.1 лет). В рамках серии проводили фоновые тесты ВД2 до гипоксии и тесты ВД2 после гипоксии. В данном исследовании каждый обследуемый подвергался следующим воздействиям с промежутком между воздействиями в месяц: 5.5дневное пребывание в гипоксической аргоносодержащей среде (4.7-5.3% O2, 49.750.9% Ar, 43.8-45.6% N2) в барокамере на «глубине» 20 м, (фон – Ar1; последействие – Ar2); 10-дневное пребывание в гипоксической азотосодержащей среде (11.7-13.5% O2, 88.3-86.5% N2) в барокамере на «глубине» 2 м, (фон – N21; последействие – N22). Один из испытуемых отказался проходить тест по возвратному дыханию после пребывания в азотосодержащей среде (N22). Таким образом, во второй серии (N21, N22) приняло участие четверо здоровых молодых человека в возрасте от 24 до 42 лет (33.5 ±9.3 лет). Перед исследованиями каждый доброволец дал информированное согласие на участие в эксперименте. В среднем общее время одного обследования составляло около 40 минут. Экспериментальный протокол последовательно включал: - спокойное дыхание комнатным воздухом (5 мин); - максимальный вдох и, далее, максимальную по продолжительности задержку дыхания; - спокойное дыхание (2 мин) - гипервентиляция легких (1 мин) до достижения PETсо2 от 20 мм рт.ст. до 25 мм рт.ст. (заведомо ниже порога включения центральной вентиляционной реакции при увеличении хеморефлекторного драйва от уровня гипокапнии до гиперкапнии); - возвратное дыхание в течение 10 – 12 мин или до достижения PETсо2 около 60 мм рт.ст. Для определения возвратного дыхания характеристик из вентиляционной реакции в тесте экспериментальных данных выбирали значения 75 дыхательного объема, альвеолярных концентраций СО 2 и О2 в конце выдоха. Каждому из значений дыхательного объема, измеренного в ходе определенного дыхательного цикла, сопоставляли измеренные значения альвеолярных СО 2 и О2. После этого рассчитывали частоту дыхания и вентиляцию в данном дыхательном цикле (Fr и соответственно), значения которых сопоставляли с соответствующими значениями альвеолярных СО 2 и О2 [Шулагин и др., 2012]. Вентиляционная реакция характеризуется отношением прироста вентиляции к приросту напряжения СО2 в артериальной крови. Реакция частоты дыхания характеризуется отношением прироста частоты дыхания к приросту напряжения СО2 в артериальной крови. В тесте с гипероксической смесью исследовали реакцию на гиперкапнию, при этом влияние гипоксии устранялось высокой концентрацией кислорода в дыхательной газовой зависимость смеси. Для определения вентиляционной реакции от PETco2 в диапазоне PETco2 от 50 до 60 мм рт.ст. аппроксимировали соотношением вида: , где (11) – вентиляция, обусловленная центральным хеморефлексом и базальной составляющей, Sc – чувствительность вентиляции к альвеолярному парциальному давлению углекислого газа в гипероксическом тесте, Рсvo - порог вентиляционной реакции на СО2 в тесте с гипероксией. Чувствительность получалась как тангенс угла наклона прямой, построенной методом наименьших квадратов по зависимости вентиляции от Рсо2, а порог реакции определялся по точке на прямой аппроксимации, которая соответствует вентиляции в покое. Для описания вентиляционной реакции в тесте с гиперкапнией, сочетанной c гипоксической стимуляцией, применяли следующее выражение: (12) где – вентиляция, обусловленная центральным, периферическим хеморефлексами, базальной составляющей и гипоксической стимуляцией, Scр – чувствительность вентиляции к альвеолярному парциальному давлению 76 углекислого газа в тесте с гипоксической стимуляцией, Рсрvo - порог вентиляционной реакции на СО2 в тесте с гипоксией. Аналогично были получены линейные аппроксимации зависимости Fr от PETco2. В большинстве случаев во время возвратного дыхания воздухом сатурация кислорода не падала ниже 90%, поэтому сильная гипоксия не успевала развиться и рост вентиляции в большей степени происходил за счет увеличения Рсо2. В связи с этим, рассматривалась реакция на гиперкапнию, усиленную нарастающей гипоксией, с определением чувствительности к СО 2 (Sсрco2) и порога реакции по углекислому газу (Тсрсо2). Во время теста обследуемый с помощью специальной панели, расположенной на кронштейне перед собой, каждые две минуты оценивает нагрузку на дыхание с использованием индекса нагрузки по Боргу (тест оценки отдышки). В таблице 1 представлены действия, при которых ощущается соответствующая нагрузка на дыхание [Borg, 1982]. Таблица 1 - Тест по субъективной оценке состояния организма. В примерах представлены действия, при которых ощущается соответствующая нагрузка на дыхание Описание нагрузки на дыхание Нет нагрузки Очень, очень легко Шкала по Боргу 1-6 7-8 Очень легко 9-10 Довольно легко 11-12 Немного тяжело 13-14 Тяжело 15-16 Очень тяжело 17-18 Очень, очень тяжело 19-20 Примеры Чтение, просмотр телевизора. Надевание обуви. Работа по дому, которая требует небольшого усилия. Например, сворачивание одежды. Поход в магазин или другие действия, которые требуют некоторого усилия, но не ускоряющие дыхание. Оживленная ходьба или другие действия, которые требуют умеренного усилия и ускоряют сердечный ритм или дыхание, но не делают человека запыхавшимся. Действия, которые требуют энергии и вызывают ускорение сердечного ритма, такие как велосипедный спорт, плавание. Дыхание становится очень быстрым. Наибольшая нагрузка, выдерживаемая человеком. Нагрузка при завершающим рывке в гонке или другой активной деятельности, которую человек не может выдерживать долгое время. Для оценки эмоционального состояния человека и его ощущений, вызванных вентиляционной реакцией до проведения эксперимента и после 77 окончания периода возвратного дыхания испытуемому предлагается ответить на вопросы теста по субъективной оценке состояния организма. Оценка проводилась по шкале от -3 до 3, где 0 соответствует неизменному состоянию испытуемого, ±1 – ощутимое, ±2 – сильное и ±3 – максимальное изменение в данном проявлении. Данный тест разработан нами с использованием теста САН (самочувствие, активность, настроение) и представлен в таблице 2. Таблица 2 - Тест по субъективной оценке состояния организма Проявление глубина дыхания уменьшается сонливость сопротивление дыханию уменьшается частота дыхания уменьшается дышать легко ясная голова вентиляция уменьшается дрожь вялость самочувствие хорошее продолжаю тест 3 2 1 0 1 2 3 Проявление глубина дыхания увеличивается возбуждение сопротивление дыханию увеличивается частота дыхания увеличивается дышать тяжело головокружение вентиляция увеличивается жар активность самочувствие плохое отказываюсь продолжать тест Программа исследования была одобрена комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ – ИМБП РАН. 78 Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 3.1. Вентиляционная реакция респираторной системы человека на хеморецептивные стимулы при различных положениях тела В исследовании участвовали восемь здоровых молодых людей в возрасте от 20 до 25 лет (22.3±2.0 лет). Каждый доброволец участвовал в 4 сериях экспериментов: Возвратное воздействие), начинали дыхание после воздухом (гиперкапническо-гипоксическое гипервентиляции положении сидя, при этом PETco2 комнатным воздухом, в возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.2±1.4 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 60.3±7.0 мм рт.ст. Возвратное дыхание воздухом (гиперкапническо-гипоксическое воздействие) в антиортостатическом положении, лежа на спине под углом -12.5о, PETco2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.2±0.8 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 57.8±3.6 мм рт.ст. Возвратное дыхание гипероксической ДГС (гиперкапническое воздействие) в положении сидя. PETco2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.2±0.6 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 335.1±13.6 мм рт.ст. Возвратное дыхание гипероксической ДГС (гиперкапническое воздействие) в антиортостатическом положении лежа на спине под углом -12.5о. PETco2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.1±0.6 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 325.6±35.7 мм рт.ст. Предшествующая возвратному дыханию гипервентиляция позволила определить пороговое PETco2 (TVRco2). Данные, регистрируемые в экспериментах с возвратным дыханием, представлены на рисунке 20. Для исследования вентиляционной реакции (SV) на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической ДГС дыхательный контур продувается кислородно-азотной дыхательной газовой смесью с концентрацией кислорода около 90%, до наполнения контура соответствующей ДГС. 79 Рисунок 20 - Графики парциальных давлений углекислого газа и кислорода в выдыхаемом воздухе, и потока от времени, получаемые на экспериментальной установке во время исследования ВР на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией Для исследования вентиляционной реакции (SV) на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, при возвратном дыхании воздухом дыхательный контур продували атмосферным воздухом, таким образом, наполняя его соответствующей ДГС. Статистическую достоверность различий между сериями рассчитывали с помощью парного критерия Стьюдента, приемлемость применения данного критерия, проверка распределений на нормальность представлены в таблицах 1 4 приложения. Было обнаружено, что вентиляционная чувствительность к PETсо2 при возвратном дыхании гипероксической газовой смесью значимо ниже вентиляционной чувствительности к PETсо2, сочетанной с легкой гипоксией: SV1 значимо (p<0.02) больше, чем SV3, а SV2 больше (p<0.05), чем SV4. 80 Согласно данным, полученным при измерениях в вертикальном положении тела, значение PETco2 в точке апноэ вентиляции на 2.20±1.58 мм рт. ст. статистически значимо больше при гиперкапническо - гипоксическом воздействии, чем при гиперкапническо - гипероксическом воздействии (p<0.05). Средние значения вентиляционных реакций для каждой серии представлены в таблице 3. Таблица 3 – Вентиляционная реакция и реакция дыхательного объема, полученные в результате линейной аппроксимации значений вентиляции и дыхательного объема при соответствующих уровнях PETсо2 для каждой серии экспериментов Серия SV, л/мин/мм рт.ст. PV0, мм рт.ст. SVT, л/мм рт. ст. PVT0, мм рт.ст. 1 2 3 4 2.22±0.75 2.47±0.79 1.56±0.43 1.86±0.50 33.98±3.34 37.24±2.69 32.16±3.05 34.07±2.87 0.067±0.006 0.093±0.007 0.044±0.014 0.055±0.013 23.30±5.62 31.70±4.99 21.83±11.57 31.72±10.47 С помощью системы для исследования функции внешнего дыхания MasterScreen PFT E.Jaeger были измерены легочные объемы каждого обследуемого в горизонтальном и вертикальном положениях тела. Средние значения дыхательных объемов по группе представлены в таблице 4. Таблица 4 - Легочные объемы у обследуемых в положении сидя и во время антиортастатического положения на 5 и 15 минутах. Х – Среднее значение по группе, в литрах, SD – среднеквадратичное отклонение, Δ – изменение объемов при изменении положения 1 2 3 4 Сидя, 5 мин Лежа, 5 мин Лежа 15 мин 5 Х SD Х SD Х SD Δ1-2 SD Δ1-3 SD ООЛ 1.32 0.19 1.32 0.16 1.27 0.12 -0.02 0.06 0.03 0.12 ОЕЛ 6.05 0.14 5.95 0.3 5.95 0.34 0.17 0.24 0.2 0.25 РОвыд 1.91 0.27 1.04 0.19 0.94 0.21 0.98 0.11 1.12 0.13 ЖЕЛвд 4.96 0.2 4.88 0.29 4.78 0.28 0.15 0.16 0.14 0.11 ЖЕЛвыд 5.1 0.17 4.94 0.25 4.8 0.27 0.24 0.16 0.27 0.12 РОвд 2.09 0.42 3.08 0.39 3.11 0.37 -1.08 0.24 -1.21 0.22 ФОЕ 3.23 0.19 2.37 0.25 2.22 0.27 0.96 0.16 1.15 0.24 Va 5.9 0.14 5.8 0.31 5.79 0.35 0.17 0.24 0.2 0.26 81 При изменении положения тела значительных изменений в ОЕЛ, ООЛ и ЖЕЛ не наблюдается. Однако при этом наблюдается сдвиг ДО в сторону РО вых. Достоверным является уменьшение на 1 литр РОвыд и увеличение РОвд, также на один литр в соответствии с рисунком 21. В антиортостатическом положении (АНОП) ФОЕ испытуемых в среднем по группе было ниже на 1.15 ± 0.24 л, чем в вертикальном положении [Шулагин, Демин, 2013]. Рисунок 21 - Изменения легочных объемов у обследованных в положении сидя и во время антиортастатического положения на 5 и 15 минутах Для каждой из четырех серий были рассчитаны пороговые значения TVRco2: в 1-й серии она составила 45.3±0.5 мм рт. ст., во 2-й серии – 45.7±0.3 мм рт. ст., в 3й серии – 45.3±0.4 мм рт. ст. и в 4-й – 45.6±0.2 мм рт. ст. Статистически значимых различий между величинами TVRco2, для разных серий не выявлено. На рисунке 22 представлена характерная вентиляционная реакция одного из испытуемых. Для того чтобы охарактеризовать вентиляционную реакцию, методом наименьших квадратов рассчитывали линейную аппроксимацию значений на диапазоне PETco2 выше индивидуальной величины Tсо2. Средние по выборке параметры реакций вентиляции и дыхательного объема на изменения парциального давления углекислого газа представлены на рисунках 23 и 24. 82 Рисунок 22 - Индивидуальная зависимость вентиляции от парциального давления СО2 в альвеолярном газе при гипероксии в вертикальном положении (Δ, красного цвета) и в антиортостатическом положении (□, синего цвета) В таблице 5 представлена статистическая достоверность различий между сериями, таким образом, вентиляционные реакции на гиперкапнию при гипоксии и гипероксии различаются. Таблица 5 - Статистическая достоверность различий между параметрами в сериях Серия 1 2 3 4 1 NS 0.99 NS SV \ SVT 2 3 0.99 0.99 0.99 0.98 0.91 0.94 PV0 \ PVT0 4 0.97 NS 0.94 - 1 0.94 0.94 0.99 2 0.99 0.99 NS 3 0.96 0.99 NS 4 0.98 NS 0.97 - Существенных различий в вентиляционных реакциях при гипоксической стимуляции между сериями в вертикальном и антиортостатическом положениях тела при этом обнаружено не было. При гипоксическом стимуле прирост дыхательного объема на нарастающую гиперкапнию статистически значимо (p<0.01) больше на 0.025±0.015 л/мм рт. ст. в 83 АНОП, чем в вертикальном положении тела. Ранее было обнаружено, что прирост дыхательного объема в ответ на изокапнически возрастающую гипоксию в АНОП достоверно ниже, чем в вертикальном положении [Somers, Mark, Abboud, 1991]. Рисунок 23 - Средние по группе значения вентиляционной реакции в сериях 1, 2, 3, 4 В описанных сериях экспериментов PETo2 не опускалось ниже 60.3±7.0 мм рт. ст., поэтому основной вклад в вентиляционные реакции при этом вносил гиперкапнический стимул, а вклад реакции на снижение концентрации O 2 существенно ниже. Необходимо отметить, что тесты с изокапнической гипоксией проводят в широком диапазоне изменения концентрации кислорода, а именно, PETо2 снижается со 100 до 30 мм рт.ст., и при этом наиболее существенный рост легочной вентиляции приходится на снижение PETо2 с 50 до 30 мм рт. ст. Вероятно, при изокапническо-гипоксическом воздействии на этом диапазоне разница в приросте дыхательного объема в ответ на возрастающую гипоксию в вертикальном положении и АНОП была бы значительно существеннее. Таким 84 образом, из выше представленного можно заключить, что обнаруженное нами увеличение реакции дыхательного объема на возрастающую гиперкапнию не может быть связано с сопутствующим снижением содержания кислорода. Рисунок 24 - Средние по группе значения реакции дыхательного объема (РДО) в сериях 1, 2, 3, 4 Достоверных изменений в вентиляционной реакции на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической смесью между сериями в вертикальном положении (0.044±0.014 л/мм рт. ст.) и в АНОП (0.055±0.013 л/мм рт. ст.) обнаружено не было. Эти результаты согласуются с результатами более ранних работ, в которых достоверного влияния положения тела на вентиляционную реакцию к нарастающей гиперкапнии при возвратном дыхании гипероксической ДГС, не выявили, при этом они были равны 0.156±0.027 л/мм рт. ст. в вертикальном положении тела и 0.165±0.007 л/мм рт.ст. в горизонтальном положении тела, что существенно выше результатов, полученных нами [Xie et al., 1993]. По-видимому, данные различия связаны с различиями методик измерений вентиляционных реакций. По максимальному уровню воздействия гиперкапнии наша методика (повышение PETсо2 до 60 мм рт. ст.) и методика в вышеуказанной работе (повышение содержания CO2 до 8%) практически не различаются. 85 Возможно, указанные выше изменения или их отсутствие связаны с более низкими величинами насыщения артериальной крови кислородом и PETо2 в работе [Xie et al., 1993], чем в нашей работе. Мы полагаем, что увеличение прироста дыхательного объема обусловлено особенностями модифицированной методики D.J.C. Read. Постуральная независимость вентиляции в условиях нарастающей гиперкапнии в положении АНОП может быть обусловлена адекватным увеличением центральной инспираторной активности, соответствующий прирост вентиляции на гиперкапнический стимул происходит в результате совместного влияния увеличения «моторного выхода» респираторной системы и усиленной импульсации от центральных хеморецепторов [Донина Ж.А. и др., 2013]. Было обнаружено, что в условиях нарастающей гиперкапнии при гипоксическом стимуле, величина PETсо2 при нулевом значении дыхательного объема сдвигается на 9.9±7.9 мм рт. ст. в положении АНОП по сравнению с вертикальным положением. Это может означать, что чувствительность дыхательного объема к нарастающей гиперкапнии в условиях легкой гипоксии более выражена к положениям тела, чем чувствительность вентиляции. Это частично может быть вызвано увеличением сопротивления дыханию в АНОП. В свою очередь, увеличение сопротивления вызвано снижением функциональной остаточной емкости (ФОЕ). Уменьшение ФОЕ [Bettinelli, Kays, Bailliart, 2002] и увеличение сопротивления дыхания было обнаружено в положении лежа [Дьяченко, 1996] и в водной иммерсии [Дьяченко, Мехедова, Шулагин, 2010] по сравнению с положением сидя. При увеличенном сопротивлении дыханию рост вентиляции за счет роста дыхательного объема энергетически выгоднее, чем за счет роста частоты дыхания, так как при этом не так сильно возрастает работа дыхательных мышц. В антиортостатическом положении увеличивается приток крови к верхним органам, за счет чего увеличивается их диффузионная способность. Статистически значимых результатов опроса на субъективную оценку состояния организма при этом не было. Результаты указывают на то, что 86 субъективная оценка дыхательных ощущений слабо зависит от характера воздействия и в большей степени опирается на опыт испытуемых и их отношения к эксперименту. Обработав результаты опроса испытуемых об ощущениях нагрузки на дыхание по шкале Борга, ярко выраженных закономерностей выявлено не было, то есть человек при изменении положения тела облегчения не испытывал. С целью более детального изучения изменения вентиляционной реакции в различных положениях тела, представим результаты по SV и SVT экспериментов 2013 года по исследованию изменения ВР в условиях «сухой» иммерсии. Методика эксперимента практически не отличалась от экспериментов 2011 года [Goncharov et al., 2014]. В исследовании участвовали двенадцать здоровых молодых людей в возрасте от 19 до 26 лет (среднее ± среднеквадратичное отклонение равно 21.7±2.0 лет). Каждый доброволец участвовал в 4 сериях экспериментов (5-8 серии): Возвратное воздействие), начинали дыхание после воздухом (гиперкапническо-гипоксическое гипервентиляции комнатным воздухом, в положении сидя, при этом PETсо2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.1±2.2 мм рт.ст., а PETо2 уменьшается до 55.3±3.9 мм рт.ст. Возвратное воздействие), начинали дыхание после воздухом (гиперкапническо-гипоксическое гипервентиляции комнатным воздухом, в положении лежа, после первого часа пребывания в «сухой» иммерсии, при этом PETсо2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 58.0±2.0 мм рт.ст., а PETо2 уменьшается до 53.2±4.0 мм рт.ст. Возвратное воздействие), начинали дыхание после воздухом (гиперкапническо-гипоксическое гипервентиляции комнатным воздухом, в положении лежа, на 3-й день пребывания в «сухой» иммерсии, при этом PETсо2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.4±2.5 мм рт. ст., а PETо2 уменьшается до 57.3±4.8 мм рт.ст. Возвратное воздействие), начинали дыхание после воздухом (гиперкапническо-гипоксическое гипервентиляции комнатным воздухом, в 87 положении сидя, через час после завершения пребывания в «сухой» иммерсии, при этом PETсо2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 60.9±2.9 мм рт. ст., а PETо2 уменьшается до 59.6±4.6 мм рт. ст. Основной интерес представляет поведение вентиляционной чувствительности к нарастающей гиперкапнии. Результаты представлены в таблице 6. Таблица 6 - Параметры линейной аппроксимации реакции вентиляции и дыхательного объема на увеличение PETсо2 в исследованиях изменения ВР в условиях «сухой» иммерсии Серия SV, л/мин/мм рт.ст. PV0, мм рт.ст. SVT, л/мм рт. ст. PVT0, мм рт.ст. 5 6 7 8 2.95±1.4 3.82±1.6 3.49±1.5 2.77±1.1 37±6 41±5 41±5 34±6 0.07±0.06 0.11±0.09 0.10±0.06 0.07±0.04 35.5±4.9 39.1±4.3 39.3±3.2 33.2±4.3 После двух часов пребывания в иммерсии вентиляционная чувствительность увеличилась. в среднем по группе Причем у большинства увеличение ВР было более чем на четверть по сравнению с ВР в вертикальном положении тела, а у двоих обследованных наблюдалось снижение ВР. На третьи сутки иммерсии у большинства наблюдали увеличение ВР по сравнению с измерениями в вертикальном положении тела. Через час после завершения пребывания в иммерсии только у трети обследованных ВР была увеличена, у другой трети обследованных ВР была уменьшена, у остальных изменения незначительны. Статистическую достоверность различий между сериями рассчитывали с помощью парного критерия Стьюдента, приемлемость применения данного критерия, проверка распределений на нормальность представлены в таблицах 5 8 приложения. Из таблицы 7 следует, что последействие через час после завершения пребывания в «сухой» иммерсии значимо отличается от обоих измерений чувствительности вентиляционной реакции в ванной. Отличия же от фонового измерения не значимы. Отметим, что реакции дыхательного объема при обоих 88 измерениях в «сухой» иммерсии статистически значимо отличаются по результатам от фонового измерения в вертикальном положении тела. Последействие (после завершения пребывания в иммерсии) достоверно отличается от измерений чувствительности объема дыхания в ванной на третьи сутки. Чувствительность частоты дыхания достоверно уменьшилась лишь относительно первого фонового измерения в вертикальном положении тела. Таблица 7 - Статистическая достоверность различий между параметрами в сериях в исследованиях изменения ВР в условиях «сухой» иммерсии SV \ SVT Серия 5 6 7 8 1 0.94 NS NS 2 0.96 NS 0.99 3 0.99 NS 0.99 PV0 \ PVT0 4 NS 0.94 0.99 - 1 0.95 NS NS 2 NS NS 0.99 3 NS NS 0.99 4 0.95 NS 0.95 - Оценивая вклады дыхательного объема и частоты дыхания в вентиляцию, сравнивая со значениями частоты дыхания и дыхательных объемов в начале эксперимента (в первые три минуты спокойного дыхания, и в последнюю минуту фазы возвратного дыхания), были обнаружены некоторые изменения данных параметров. Основная часть обследуемых увеличивала вентиляцию за счет дыхательного объема на протяжении всех четырех экспериментов, и только у одного вентиляция увеличивалась за счет частоты дыхания во всех четырех тестах. Таким образом, по результатам проведенных исследований можно заключить следующее: 1. С учетом ограничений в применении баллонов с СО2 и О2 на борту космической станции для исследования регуляции дыхания человека в условиях космического полета можно использовать тесты с возвратным дыханием воздухом для определения реакции на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, тесты с возвратным дыханием гипероксической ДГС для определения реакции на гиперкапнию с применением генератора О2 и поглотителем углекислого газа для управления скоростью нарастания гиперкапнии в биотехнической системе. 89 2. Вентиляционная реакция на нарастающую гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, достоверно (р<0.01) выше вентиляционной реакции на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической ДГС. 3. Респираторная реакция на гиперкапнический стимул увеличивается в условиях моделируемой невесомости, как в положении АНОП, так и в «сухой» иммерсии по сравнению с вертикальным положением тела. В положении АНОП достоверно (р<0.01) увеличивается значение PETco2 при нулевой величине дыхательного объема, а в условиях «сухой» иммерсии точка апноэ статистически значимо (р<0.05) сдвигается вправо. 4. Реакция дыхательного объема на гиперкапническо-гипоксический стимул в условиях моделируемой невесомости (АНОП и «сухая» иммерсия) достоверно (р<0.01 и р<0.01 соответственно) увеличивалась по сравнению с положением сидя. В условиях невесомости и при других гравитационных воздействиях реакция дыхательного объема может быть более информативным параметром, чем вентиляционная реакция. 90 3.2. Вентиляционная реакция респираторной системы человека на измененную дыхательную газовую смесь В исследовании участвовали пять здоровых мужчин в возрасте от 24 до 42 лет (33.4 ±8.1 лет). Каждый обследуемый подвергался следующим воздействиям, промежутки между которыми составляли около месяца: - 10-суточное пребывание в гипоксической аргоносодержащей атмосфере (11.7 – 13.5 % O2, 49.7 – 50.9 % Ar, остальное N2) в барокамере на «глубине» 2 метров; - 5.5-суточное пребывание в гипоксической аргоносодержащей атмосфере (4.7 – 5.3 % O2, 49.7 – 50.9 % Ar, остальное N2) в барокамере на «глубине» 20 метров; - 10-суточное пребывание в гипоксической азотосодержащей атмосфере (11.7 – 13.5 % O2, остальное N2) в барокамере на «глубине» 2 метров. Воздействия проводили в глубоководном водолазном комплексе. Основными действующими факторами в 3-х экспериментах были гипоксия и пребывание в замкнутом объёме. Первый и второй эксперименты проводили в гипоксической среде, в которой азот практически наполовину был заменен аргоном. Второй эксперимент отличался от первого тем, что барометрическое давление было повышено до 20 м вод.ст., что позволило понизить процентное содержание кислорода, в среднем, с 15 до 5 %, при сохранении одинакового парциального давления кислорода на уровне, близком к 110 мм рт.ст. После перевода в конце 4-х суток на нормоксические условия (150-165 мм рт. ст.) выполнялась 2-суточная декомпрессия. Таким образом, каждый доброволец участвовал в 4 сериях экспериментов: фоновое измерение и измерение после воздействия - последействие: Фоновое 1 (Ar1): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. PETco2 возрастало от уровня, 91 достигнутого после гипервентиляции, до 61.8±2.9 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 178.6±24.3 мм рт.ст. Последействие 1 (Ar2): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. PETco2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 65±4.8 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 171.6±52.3 мм рт.ст. Фоновое 2 (N21): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. PETco2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 61.2±6.1 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 176.4±48.1 мм рт.ст. Последействие 2 (N22): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. PETco2 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 61.2±6.1 мм рт.ст., а PETo2 уменьшалось до 145±47.6 мм рт.ст. Один из испытуемых отказался проходить тест с возвратным дыханием после пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере. Таким образом, во второй серии (N21, N22) приняло участие четверо здоровых мужчин в возрасте от 24 до 42 лет (среднее ± среднеквадратичное отклонение равно 33.5 ±9.3 лет). Исследования вентиляционных реакций проводили за 2 дня до и на 2 день после воздействий. Предшествующая возвратному дыханию гипервентиляция позволила определить пороговое PETсо2 (ТVRсо2). Распределитель потока в контуре АПК обеспечивал возможность регулировать поток ДГС через химический поглотитель CO2 и байпас, что позволило управлять скоростью нарастания СО 2 в контуре. Это, в свою очередь, обеспечило возможность плавного выравнивания углекислого газа в биотехнической системе «ткани – кровь - легкие - контур». В результате время тестирования (возвратного дыхания) составляло от 15 до 20 минут. Для исследования вентиляционной реакции на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической ДГС дыхательный контур продувается дыхательной 92 газовой смесью с концентрацией кислорода около 90%, до наполнения контура соответствующей ДГС. Примеры индивидуальных зависимостей прироста вентиляции и прироста дыхательного объема от парциального давления СО2 в альвеолярном газе до и после воздействия длительной гипоксии представлены на рисунках 25 и 26. Рисунок 25 – Индивидуальная зависимость вентиляции от парциального давления СО2 в альвеолярном газе до (○, красного цвета) и после (Δ, синего цвета) пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере Вентиляционная реакция (SV), реакция дыхательного объема (SVT) на нарастающую гиперкапнию были рассчитаны на диапазоне изменения P ETсо2 от 45.1±0.1 мм рт.ст. до 60.8±0.2 мм рт.ст. для 3 испытуемых и представлены в таблице 8. Статистическую достоверность различий между сериями рассчитывали с помощью парного критерия Стьюдента, приемлемость применения данного критерия, проверка распределений на нормальность представлены в таблицах 9 11 приложения. 93 Таблица 8 - Параметры линейной аппроксимации реакции вентиляции и дыхательного объема на увеличение PETсо2 Серия SV, л/мин/мм рт.ст. PV0, мм рт.ст. SVT, л/мм рт. ст. PVT0, мм рт.ст. Ar1 Ar2 N21 N22 1.87±1.68 1.88±0.96 2.49±1.92 2.66±1.76 35.60±6.59 37.94±2.85 42.13±0.56 40.14±4.03 0.060±0.027 0.078±0.028 0.092±0.052 0.091±0.052 24.63±1.23 33.39±3.12 37.00±5.02 32.04±6.89 Было обнаружено, что прирост дыхательного объема SVT в ответ на гиперкапнию достоверно (p<0.05) увеличился на 0.02±0.009 л/мм рт.ст. после 5.5суточной аргоновой гипоксии. Значение PETсо2 при нулевой величине дыхательного объема достоверно (p<0.05) больше на 8.76±3.76 мм рт.ст. фонового значения после пребывания в аргоновой гипоксии, кроме того, наблюдается тенденция (р<0.1) на снижение значения PETсо2 при нулевой величине дыхательного объема на 4.96±3.77 мм рт.ст. по сравнению с фоновым значением после пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере. Рисунок 26 - Характерная индивидуальная зависимость дыхательного объема от парциального давления СО2 в альвеолярном газе до (красные точки) и после (синие точки) пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере 94 Примечательно, что наблюдаются достоверные различия между фоновыми значениями SVT и SV перед пребыванием в аргоновой и азотной гипоксии. Таким образом, SVT перед 10-суточной азотной гипоксией на 0.03±0.026 л/мм рт.ст. больше, чем перед 5.5-суточной аргоновой гипоксией, а SV перед 10-суточной азотной гипоксией на 0.62±0.31 л/мм рт.ст. больше, чем перед 5.5-суточной аргоновой гипоксией. Вероятно, это следствие наложения эффектов от 5.5суточного пребывания в аргоносодержащей гипоксической атмосфере и 10суточного пребывания в аргоносодержащей гипоксической атмосфере месяцем ранее. Достоверность различии между реакциями в сериях представлены в таблице 9. Таблица 9 - Статистическая достоверность различий между параметрами в сериях Серия Ar1 Ar2 N21 N22 Ar1 NS 0.95 0.99 SV \ SVT Ar2 N21 0.95 0.9 NS NS NS NS PV \ PVT N22 0.9 NS NS - Ar1 NS NS 0.9 Ar2 0.95 0.9 0.9 N21 0.975 0.975 NS N22 0.95 NS 0.9 - Для более детального изучения результатов исследования в рамках воздействий данные были рассмотрены на более широкой выборке, но без перекрестного сравнения между сериями различных воздействий. Результаты и достоверность различий представлены в таблицах 10 и 11. Таблица 10 - Параметры линейной аппроксимации реакции вентиляции и дыхательного объема на увеличение PETсо2 Серия Ar1 Ar2 N21 N22 Диапазон, мм рт.ст. 45-60 45-60 48-53 48-53 SV, л/мин/мм рт.ст. PV0, мм рт.ст. SVT, л/мм рт. ст. PVT0, мм рт.ст. 1.84±1.38 2.05±0.86 2.22±2.41 3.76±2.53 36.18±5.51 39.02±3.18 31.43±11.96 40.74±4.59 0.065±0.025 0.086±0.028 0.08±0.09 0.11±0.07 25.34±1.73 33.60±2.57 15.51±32.40 33.44±6.66 SFr, мм рт. ст.-1 0.42±0.37 0.33±0.23 0.43±0.41 1.01±0.63 Таким образом, для 4 обследованных на диапазоне исследования PETсо2 от 45.1±0.1 мм рт.ст. до 60.6±0.9 мм рт.ст. до и после 5.5-суточной гипоксии в аргоне были обнаружены следующие изменения: SVT после гипоксии достоверно (p<0.01) 95 увеличилась на 0.02±0.009 л/мм рт.ст., а PETсо2 при нулевом значении дыхательного объема на 8.26±3.25 мм рт.ст. Средние по группе реакции дыхательного объема на нарастающую гиперкапнию представлены на рисунке 27. Таблица 11 - Статистическая достоверность различий между параметрами в сериях в рамках воздействий. Серия Ar1 Ar2 N21 N22 Ar1 NS - SV \ SVT Ar2 N21 0.99 0.95 PV \ PVT N22 0.9 - Ar1 NS - Ar2 0.99 - N21 0.95 N22 NS - Для других 4 обследованных на диапазоне исследования PETсо2 от 48.1±0.1 мм рт.ст. до 53.6±0.2 мм рт.ст. до и после 10-суточной гипоксии в азотосодержащей атмосфере было обнаружено следующее: достоверное (p<0.05) увеличение вентиляционной реакции на 1.54±1.28 л/мин/мм рт.ст. и достоверное (р<0.05) увеличение PETсо2 при нулевом значении вентиляции на 9.31±7.67 мм рт.ст. При этом так же наблюдается достоверное (p<0.01) снижение реакции частоты дыхания (Fr) по сравнению с фоновыми значениями. Реакция частоты дыхания на нарастающую гиперкапнию после 10-суточной гипоксии в азотосодержащей атмосфере представлена на рисунке 28. Рисунок 27 - Прирост дыхательного объема в ответ на гиперкапническогипоксичесий стимул до и после пребывания в аргоносодержащей гипоксической атмосфере (Ar) и азотосодержащей гипоксической атмосфере (N2). 96 Выбранный диапазон исследования связан с тем, что у одного из обследованных при возвратном дыхании максимальное PETсо2, не превышало 53.3 мм рт.ст., а один из испытуемых отказался выполнять тест после пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере. Наклон ΔFr/ΔPETco2, мм рт.ст.-1 1,6 *P<0,01 Среднее по группе 1,4 1,2 1 Фон 0,8 Последействие 0,6 0,4 0,2 0 N2 Рисунок 28 – Увеличение частоты дыхания в ответ на гиперкапническогипоксичесий стимул до и после пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере Известно, что реакция кардиореспираторной системы на гипоксию зависит от степени гипоксического воздействия, длительности воздействия, периодичности воздействий и концентрации СО2 во время воздействий [Powell, Milsom, Mitchell, 1998]. Пауэл в своих исследованиях с различными видами воздействий гипоксией выделил несколько ключевых фаз изменения вентиляции во времени: кратковременная потенциация, наблюдаемая в первые несколько минут; далее, наблюдается снижение гипоксической вентиляции, длительность этой фазы может достигать 20 минут. При продолжении воздействия гипоксией в течение последующих часов или дней наблюдается постепенный рост вентиляции, при этом величина вентиляции может превышать значения вентиляции, достигнутые в предыдущих фазах, несмотря на гипокапнию и 97 респираторный алкалоз. Этот эффект называется «вентиляционное привыкание к гипоксии». Опыты на животных позволили обнаружить эффект прогрессирующей интенсификации вентиляционной реакции в ответ на периодическое кратковременное воздействие гипоксией [Fregosi, Mitchell, 1994; Turner, Mitchell, 1997]. Более того, в результате прерывистых воздействий, вентиляция в покое в периоды между воздействиями может увеличиваться, подобный эффект называется «долговременной фасилитацией» [Eldridge, Millhorn, 1986], однако, в исследованиях на людях этот эффект обнаружен не был [Fregosi, Mitchell, 1994]. В различных исследованиях с ежедневным воздействием 15-30 минутной гипоксией в течение нескольких недель было обнаружено достоверное увеличение вентиляционной реакции на гипоксию [Serebrovskaya et al., 1999; Katayama et al., 1998]. Увеличение вентиляционной реакции может быть связано с увеличением чувствительности периферических хеморецепторов к углекислому газу или снижением его порога [Mohan, Duffin, 1997]. Изменение порога хеморефлекса может говорить об изменении входящего сигнала в вентральную группу дыхательных нейронов. Кроме того, исследования по влиянию длительной гипоксии (PIo2 45 мм рт.ст.) при нормальном давлении показали о значительных изменениях в транспортных характеристиках крови по отношению к кислороду. При этом наблюдается рост величины гемотокрита, концентрации гемоглобина и числа красных кровяных телец в результате выработки эритропоэтина, вызванной гипоксическим воздействием [Endoh et al., 2000]. На сегодняшний день инертный газ аргон, благодаря своим уникальным свойствам и относительно умеренной стоимости, находит широкое применение в медицине и биологии. Так, например, известно, что аргон проявляет свои анестезирующие свойства лишь при высоком давлении [Trudell, Koblin, Eger, 1998]. Тем не менее, свойства аргона еще далеко не изучены. В 1997 году Павлов и др. обнаружили, что выживаемость крыс в гипоксической среде с содержанием 4-5% кислорода и 25% Ar выше, чем в аналогичной среде, но без аргона [Pavlov et al., 1997]. Шулагин и др. опубликовал данные о повышенном потреблении О 2 98 здоровыми мужчинами при дыхании аргоносодержащими ДГС во время физической нагрузки. Кислородо-аргоновые ДГС, применяемые драйверамидобровольцами на соответствующей глубине, показали повышенную эффективность (до 67%) по сравнению с традиционными ДГС [Шулагин, Дьяченко, Павлов, 2001]. Солдатов и др. обнаружили, что выживаемость животных при гипоксических воздействиях при дыхании аргоносодержащими смесями значительно выше, а риски поражения гипоксическим воздействием мозга ниже. На сегодняшний день нет данных о влиянии дыхания аргоносодержащими ДГС на регуляцию дыхания. Поскольку вклад в обнаруженные изменения со стороны аргоно- и азотосодержащих ДГС, вероятно, малозначителен по сравнению с гипоксическим воздействием, увеличение вентиляционной реакции в описываемом исследовании можно объяснить вентиляционным привыканием к гипоксии, что согласуется с предыдущими исследованиями. Нерешенным вопросом остается увеличение фоновых вентиляционных реакций перед каждым воздействием. Вероятно, здесь наблюдается наложение эффектов вентиляционного привыкания к гипоксии, прогрессирующей интенсификации и долговременной фасилитации вентиляционной реакции. Поскольку 5.5-суточному пребыванию в гипоксической аргоносодержащей атмосфере предшествовало 10-суточное пребывание в гипоксической аргоносодержащей атмосфере (11.7-13.5% О2, 49.7 -50.9% Ar) на «глубине» 2 метров. Однако этот момент требует более тщательных исследований. Таким образом, по результатам представленной серии исследований можно заключить следующее: 1. Длительное пребывание в гипоксической аргоносодержащей атмосфере влияет на регуляцию дыхания и усиливает прирост дыхательного объема в ответ на гиперкапнический стимул (p<0.01). 2. Длительное пребывание в гипоксической азотосодержащей атмосфере влияет на регуляцию дыхания и усиливает вентиляционную реакцию на гиперкапнический стимул (p<0.05). 99 Глава 4. Математическая модель биотехнической системы «кардиореспираторная система человека и аппаратно-программный комплекс» 4.1. Разработка математической модели. Теоретическое обоснование Актуальность разработки математической модели динамики содержания СО2 и О2 в выдыхаемом воздухе и организме человека во время возвратного дыхания связана с применением экспериментальной установки для исследования вентиляционной чувствительности респираторной системы, оценки состояния и диагностики заболеваний человека. На сегодняшний день опубликовано большое количество работ, в которых представлены математические модели обмена газов в организме, в том числе математическая модель динамики содержания эндогенной моноокиси углерода в организме человека [Дьяченко и др., 2008]. Анализ методов измерения реакции на гиперкапнию и гипоксию может быть выполнен с помощью математического моделирования. При разработке математической модели функционирования биотехнической системы, включающей кардиореспираторную систему человека и аппаратно-программный комплекс для исследования вентиляционной чувствительности методом возвратного дыхания, можно использовать общепринятый подход, применяемый при моделировании процессов массообмена в живых системах, которые рассматриваются как системы с сосредоточенными параметрами [Дьяченко, Шабельников, 1985]. Исходя из физиологических и биофизических представлений, в системах выделяют необходимое количество резервуаров и параметры, определяющие системы. В разрабатываемой модели необходимо выделить легкие и ткани. Так как в моделируемой биотехнической системе человек подключен к экспериментальной установке, то необходим третий резервуар – дыхательный контур (мешок и система трубок). Разрабатываемая модель должна адекватно воспроизводить результаты тестов с возвратным дыханием. Моделируемая 100 биотехническая система замкнута, поэтому изменение содержания (концентрации) веществ в системе определяются газообменом человека и действием химического поглотителя СО2 (если он подключен к контуру). Схематическое изображение трех выделенных в биотехнической системе резервуаров (легкие, ткани и дыхательный контур) представлено на рисунке 29. Артериальная кровь относится к легочному резервуару, а венозная кровь – к тканевому резервуару. Рисунок 29 - Выделение резервуаров в модели газообмена Содержание этих веществ в резервуарах и их функции будут параметрами состояния системы. Уравнения баланса для каждого из рассматриваемых резервуаров и газов в нем имеет следующий вид: здесь i = 1 – О2, 2 – СО2, t – время, Mi – масса вещества i, Jij – приток/отток вещества i через резервуар j, где j = T, L, B – тканевой резервуар, легочный резервуар и дыхательный контур соответственно. 101 Содержание газа может выражаться в единицах массы или количества молекул. Далее полагаем, что содержание измеряется количеством молекул или молей вещества [Dyachenko et al., 2010]. Потребление и выделение газов в тканях легочного резервуара значительно меньше, чем в тканевом резервуаре, при этом в легочном резервуаре источниками и стоками вещества i являются дыхательные пути и кровеносные сосуды. Введем обозначения: Сvi – содержание газа i в венозной крови, Сai – содержание газа i в артериальной крови, FAi и FIi – фракционное содержание i газа в альвеолярном воздухе при выдохе и вдохе (отношение числа молекул i газа к общему числу молекул всех газов), Q – величина кровотока в легких и тканях, AI, альвеолярная вентиляция воздуха на вдохе и на выдохе соответственно, AE – – парциальное давление О2, СО2 в альвеолярном воздухе. Таким образом, [Сvi(t) - Сai(t)] Q(t) – суммарный приток газа с венозной и отток газа с артериальной кровью, при объемной скорости притока и оттока крови, равной Q(t). [FIi(t) AI(t) - FAi(t) AE(t)] - суммарный приток и отток газа через воздухоносные пути. При вдохе воздух входит в альвеолярное пространство с объемной скоростью AI(t) с содержанием газа FIi(t), а при выдохе воздух выходит при этом с объемной скоростью AE(t) с содержанием газа FAi(t). Уравнение баланса массы газов в легочном резервуаре имеет вид: В этом уравнении рассматриваются концентрации газов в артериальной и венозной крови, входящей и выходящей из легких в момент времени t. Парциальное соотношением: давление газов в альвеолярном воздухе связано 102 где PB – барометрическое давление, а – давление паров воды при температуре 37ОС, что соответствует 47 мм рт.ст. Для тканевого резервуара: [Сai(t) - Сvi(t)] Q(t) – суммарный отток газа с венозной и приток газа с артериальной кровью, при объемной скорости притока и оттока крови, равной Q(t). Однако в этом случае необходимо учитывать время задержки, связанной с перемещением крови между легочным и тканевым резервуарами. Таким образом, уравнение баланса массы газов в тканевом резервуаре имеет вид: Ji - скорость метаболической продукции или потребления газа i в тканевом резервуаре, t1 – время перемещения крови от легочного резервуара до тканевого резервуара по артериальному руслу, t2 – время перемещения крови от тканевого резервуара до легочного резервуара по венозному руслу. На рисунке 30 приведена кривая зависимости общей концентрации СО2 и О2 в крови от Pco2 и Ро2. Рисунок 30 - Характерная зависимость фракционной концентрации газа в крови от его напряжения [Уэст, 1988] Следует отметить, что концентрация СО2 в крови при определенном Pco2 тем выше, чем менее гемоглобин насыщен кислородом. Этот, так называемый, 103 эффект Холдейна обусловлен увеличением сродства восстановленного гемоглобина к протонам, образующимся при диссоциации угольной кислоты, а так же его большой способностью связывать СО2. На рисунке видно, что сатурационная кривая СО2 значительно круче, чем кривая О2. Так при измерении напряжения этих газов от 40 до 50 мм рт. ст. концентрация СО 2 изменяется примерно на 4.7 %, а О2 – лишь на 1.7 %. В данной математической модели указанные эффекты описываются модифицированными соотношениями Хилла [Spencer, Firouztale, Mellins, 1979], учитывающими эффекты Бора и Холдейна. Средние значения параметров, описывающих насыщение гемоглобина О2 и СО2 и их свойства растворимости, выбраны для нормальной крови здорового человека и представлены в таблицах 12 и 13. ; (17) . (18) Здесь Рсо2 и Ро2 напряжение углекислого газа и кислорода в крови, а Ссо 2 и Со2 концентрации связанного и растворенного СО2 и О2 в крови. Таблица 12 - Средние значения параметров, описывающих насыщение гемоглобина О2 и СО2 в нормальной крови (получены аппроксимацией методом наименьших квадратов (при доверительном интервале ±95%) для крови с содержанием гемоглобина 15 г/100 мл, при температуре 37 ОС) [Spencer, Firouztale, Mellins, 1979] a K, мм рт. ст. α, мм рт. ст.-1 β, мм рт. ст.-1 O2 0.384±0.003 41.9±1.7 0.2 0.031±0.013 0.008±0.004 CO2 1.819±0.096 194.4±84.4 1.9 0.055±0.004 0.032±0.002 Общее количество газа в тканях органов и растворенного газа в крови можно описать следующими свойства системы крови и тканей: уравнениями, характеризующими буферные 104 Здесь VAlv — альвеолярный объем испытуемого, VLT и VСT — объем тканей легких и корпуса человека, — растворимость i газа в тканях, VLbl и VCbl — объем крови в легких и корпусе человека, — растворимость i газа в крови, Ni — относительное сродство гемоглобина к кислороду и углекислому газу, – насыщение гемоглобина кислородом или углекислым газом. Массообмен каждого содержащегося в крови газа практически независим. Однако существует взаимозависимость динамических характеристик газов, связанная с особенностями строения гемоглобина, миоглобина и буферных систем крови и тканей. Эта взаимосвязь учтена соотношениями и характерными зависимостями (17) - (18). Таблица 13 - Значения констант, описывающих свойства растворимости О2 и СО2 в нормальной крови [Шейд, 2004] Ni , мм рт. ст.-1 , мм рт. ст.-1 O2 0.2 4.9*10-5 3*10-5 CO2 0.9 1.9*10-3 6.1*10-4 Для моделирования динамики содержания газа в экспериментальной установке для возвратного дыхания было принято допущение о том, что «мешок в бочке» вместе с системой трубок представляет собой отдельный резервуар, описываемый стандартным уравнением баланса: количество газа в дыхательном контуре объемом . При этом Fai фракционная концентрация газа, входящего в резервуар при выдохе, а FIi фракционная концентрация газа, выходящего из контура экспериментальной установки, которая работает в различных режимах в зависимости от проводимого теста с возвратным дыханием и исследованием: - вентиляционной реакции человека на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической газовой смесью (ВД1); 105 - вентиляционной реакции человека на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, при возвратном дыхании воздухом (ВД2); - пойкилокапнической вентиляционной реакции человека на гипоксию при возвратном дыхании воздухом. Динамика дыхательного потока описывается следующей зависимостью от времени: . При этом (23) - амплитудное значение дыхательного потока, а ω = 2π/TBC представляет собой циклическую частоту дыхания, TBC представляет собой длительность дыхательного цикла. В математической модели используется экспериментальная зависимость частоты дыхания от значений парциального давления углекислого газа в конце выдоха, полученная в экспериментах, описанных ранее в 3 главе. У большинства испытуемых была обнаружена линейная зависимость частоты дыхания от PETсо2 (коэффициенты линейной связи rxy больше 0.85 у 70% испытуемых на индивидуально выбранных диапазонах PETсо2). При этом частота дыхания ω(PETco2) задается разрывной функцией, значения которой изменяются скачкообразно в соответствии с экспериментально полученными результатами в моменты обнуления величины дыхательного потока. Минутная вентиляция представлена в модели как сумма трех компонент, а именно базальной вентиляции и вентиляционного ответа на стимуляцию периферических и центральных хеморецепторов [Mohan, 1997]: ; . (24) ; (25) ; (26) (27) 106 В дыхательный контур входит химический поглотитель СО2 известковый, параллельно с которым подключен байпас. Воздушные потоки через ХПИ и байпас регулируются в зависимости от проводимого тестирования. Поглощение углекислого газа химическим поглотителем зависит от параметров ХПИ и потока через него. Для моделирования элементов дыхательного контура, использовались уже встроенные в среду математического обеспечения Simulink (Matlab) расчетные блоки для проектирования пневматических систем. Блок-схема дыхательного контура представлена на рисунке 31. Рисунок 31 - Моделирование динамики потоков и давлений в биотехнической системе «кардиореспираторная система человека и аппаратно-программный комплекс». Во время теста с возвратным дыханием человек дышит через клапанную коробку, причем во время вдоха открывается рукав вдоха (сечение А + максимально открыто, сечение А- перекрыто), а во время выдоха открывается рукав выдоха (сечение А- максимально открыто, сечение А+ перекрыто). Нагнетатель воздуха обеспечивает постоянный поток в контуре с объемной скоростью G, при этом на входе и выходе создается разность давлений Δр. Дыхательный контур в предлагаемой математической модели рассматривается в качестве отдельно выделенного резервуара определенного объема, в котором перемешивание газов происходит мгновенно, а содержание газов описывается уравнениями (21) и (22). Нагнетатель воздуха обеспечивает поток через контур при минимальных усилиях со стороны человека, поэтому мы 107 не рассматриваем вопросы механики дыхания, а только газообмен. Предполагаем, что идеальный ХПИ подключен в дыхательный контур параллельно с трубкой байпас, а объемная скорость потока в контуре G, развиваемая нагнетателем воздуха, соответствует величине дыхательного потока испытуемого при возвратном дыхании. В случае, когда поток через ХПИ перекрыт, углекислый газ из системы удаляться не будет, поскольку весь поток газа будет проходить мимо ХПИ через трубку-байпас. При этом уравнение описывающее содержание газа в данном резервуаре имеет вид (21). Через полностью открытый ХПИ газовая смесь будет проходить с объемной скоростью G, при этом весь углекислый газ будет поглощаться. Таким образом, степень распределения потока между ХПИ и байпасом – полностью контролируемый параметр, определяется в пределах от 0 до 1, и выбирается исследователем в зависимости от целей эксперимента или моделирования. Вводя коэффициент hi, определяющий степень распределения потока между ХПИ и байпас, уравнение (21) приведем к виду (ho2 в данном контексте всегда равен 0): Математическая модель предназначена для анализа газообмена в биотехнической системе в различных режимах работы экспериментальной установки и при различных условиях проведения эксперимента. Модель разработана в среде математического обеспечения Simulink (Matlab), частичный листинг программы представлен на рисунке 32 и в приложении на рисунках 1 – 5. В качестве входных параметров в модели используются следующие характеристики комплекса: - начальные характеристики газовой смеси (концентрации О2 и СО2); - объем дыхательного контура; - объем газов, растворенных в крови и тканях человека; - газотранспортные свойства крови; 108 - характерные зависимости, описывающие регуляторные процессы в организме человека (зависимость вентиляции и частоты дыхания от газового состава крови); - поток через химический поглотитель воздуха и байпас. Рисунок 32 - Общая схема моделируемой биотехнической системы в среде Simulink Математическая модель описывается замкнутой системой уравнений, состоящей из 6 обыкновенных дифференциальных уравнений переноса веществ и 13 алгебраических уравнений. Чувствительность параметров модели представлена в таблице 12 приложения. Таким образом, можно провести численные эксперименты с разными параметрами, характеризующими экспериментальную установку, или разными параметрами, описывающими кардиореспираторную системы определенного человека, и расчетным путем сравнить результаты разных экспериментов, что позволит решить проблему плохой сопоставимости результатов, полученных на разных экспериментальных установках. 109 4.2. Выбор параметров модели В ходе экспериментов по исследованию влияния положения тела на параметры кардиореспираторной системы в 2011 году были получены вентиляционные реакции на гиперкапнические стимулы при возвратном дыхании гипероксической ДГС и воздухом (гипоксической стимуляции до 60 мм рт.ст.) в различных положениях тела, а также измерены основные физические параметры испытуемых. Описание и результаты эксперимента представлены в главах 2 и 3. Для оценки параметров модели был выбран один из испытуемых массой 75 кг с характерными вентиляционными реакциями (прил., табл. 13, 14). Были измерены дыхательные объемы с помощью системы для исследования функции внешнего дыхания MasterScreen PFT E.Jaeger (прил., табл. 15). Альвеолярный объем легких VAlv испытуемого равен 3.5±0.1 л. По массе тела и литературным данным были оценены следующие объемы: крови в легких V lbl, ткани легких Vlt, крови в корпусе тела Vcbl, остальных тканей Vct, равные 0.6 л, 1.0 л, 4.4 л, 64.0 л соответственно. Для определения характеристик вентиляционной реакции в тесте возвратного дыхания из экспериментальных данных выбирались значения дыхательного объема, альвеолярных концентраций СО 2 и О2 в конце выдоха. Каждому из значений дыхательного объема, измеренного в ходе определенного дыхательного цикла, сопоставляли измеренные значения альвеолярных СО 2 и О2. После этого рассчитывали частоту дыхания и вентиляцию в данном дыхательном цикле (Fr и соответственно), значения которых сопоставляли с соответствующими значениями альвеолярных СО 2 и О2 [Шулагин и др., 2012]. Вентиляционная реакция характеризуется отношением прироста вентиляции к приросту парциального давления СО2 в альвеолярном воздухе РETco2 (равного напряжению СО2 в артериальной крови). Реакция частоты дыхания характеризуется отношением прироста частоты дыхания к приросту напряжения СО2 в артериальной крови. 110 В покое парциальные давления углекислого газа Р0ETco2 и кислорода Р0ETo2 у данного испытуемого равны соответственно 39.1±2.1 мм рт.ст. и 115.1±1.6 мм рт.ст., вентиляция и частота дыхания Fr0 – 10.1±0.9 л/мин и 5.6±0.2 л/мин). В тесте с гипероксической смесью исследовали реакцию на гиперкапнию, при этом влияние гипоксии устраняли высокой концентрацией кислорода в дыхательной газовой зависимость смеси. Для определения вентиляционной реакции от PETco2 в диапазоне PETco2 от 50 до 60 мм рт.ст. аппроксимировали соотношением вида: , где (29) – вентиляция, обусловленная центральным хеморефлексом и базальной составляющей, Sc – чувствительность вентиляции к альвеолярному парциальному давлению углекислого газа в гипероксическом тесте, Р сvo - порог вентиляционной реакции на СО2 в гипероксическом тесте. Для описания вентиляционной реакции в тесте на воздействие гиперкапнии, сочетанной c гипоксической стимуляцией, применяли следующее выражение: , где (30) – вентиляция, обусловленная центральным, периферическим хеморефлексами, базальной составляющей и гипоксической стимуляцией, Scр – чувствительность вентиляции к альвеолярному парциальному давлению углекислого газа в тесте с гипоксической стимуляцией, Р срvo - порог вентиляционной реакции на СО2 в гипоксическом тесте. В большинстве случаев во время возвратного дыхания воздухом сатурация кислорода не падала ниже 90%, поэтому сильная гипоксия не успевала развиться и рост вентиляции в большей степени происходил за счет увеличения Рсо2. В связи с этим, рассматривалась реакция на гиперкапнию, усиленную нарастающей гипоксией, с определением чувствительности к СО 2 (Sсрco2) и порога реакции по углекислому газу (Тсрсо2). Таким образом, в соответствии с уравнением (24), в тесте с возвратным дыханием воздухом для определения вклада в вентиляцию, обусловленного 111 периферическим хеморефлексом, из величины необходимо вычесть величины базальной вентиляции и вентиляции, приходящей на стимуляцию центральных хеморецепторов. Для полученных в результате экспериментов значений вентиляции и частоты дыхания при соответствующих значениях PETco2, были построены уравнения регрессии. Уравнения регрессии в тесте ВД1: = 2.42*PETco2 - 96.69, rxy=0.95 (31) Fr=0.79*PETco2 – 29.62, rxy=0.94 (32) Уравнения регрессии в тесте ВД2: = 3.52*PETco2 – 158.3, rxy=0.98 (33) Fr=1.19*PETco2 – 52.03, rxy=0.87 (34) Высокие показатели коэффициентов линейной связи говорят от весьма тесной линейной связи между признаками. Фактические значения F-критерия Фишера для каждой из регрессий указывают на то, что уравнения регрессии признаются статистически значимыми. Фактические значения t-критериев Стьюдента для каждого из параметров регрессии в экспериментальных данных по гипероксическому тесту статистически превосходят табличные значения (прил., табл. 13, 14). Реакции частоты дыхания на нарастающую гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической ДГС и при возвратном дыхании с легкой гипоксией определялись наклоном линии, отражающей прирост частоты дыхания на повышение парциального давления углекислого газа. Экспериментально полученные данные позволяют оценить параметры реакции кардиореспираторной системы испытуемого на воздействие с целью дальнейшего моделирования гипероксического теста и теста с гипоксической стимуляцией; данные представлены в таблице 14. При дыхании в покое при нормальных условиях уравнения баланса (14) и (16) в легочном и тканевом резервуарах имеют вид: 112 Таким образом, полный приток газов в кровь равен полному оттоку газов из воздуха. В уравнениях рассматриваются концентрации газов в артериальной и венозной крови, входящей и выходящей из легких в момент времени t. Таблица 14 - Экспериментально полученные параметры моделирования, определяющие реакцию респираторной системы испытуемого на стимулы Параметр , мм рт.ст.-1 , мм рт.ст.-1 Sс, л/мин/мм рт.ст. Scp, л/мин/мм рт.ст. Рсvo, мм.рт.ст. Рсрvo, мм.рт.ст. P0ETco2, мм.рт.ст. P0ETo2, мм.рт.ст. , л/мин Fr0, мм рт.ст.-1 При Значение 0.79±0.06 1.19±0.08 2.42±0.24 3.52±0.22 39.9±4.5 44.9±3.5 39.1±2.1 115.1±1.6 10.1±0.9 5.6±0.2 моделировании Описание Реакция частоты дыхания на гиперкапнический стимул в гипероксическом и гипоксическом тестах Вентиляционная реакция со стороны периферических и центральных хеморецепторов Величины PETco2 при условно нулевых значениях в гипероксическом и гипоксическом тестах Парциальные давления газов, полученные на выдохе при дыхании в покое Расчетное значение вентиляции и частоты дыхания в состоянии покоя дыхания покоя воздухом мы пренебрегаем вертикальными градиентами альвеолярной перфузии и вентиляции, принимая средние значения вентиляции и кровоснабжения по времени, и принимаем вентиляционно-перфузионное отношение равным 0.9, причем альвеолярная вентиляция составляет около 70% от общей вентиляции в покое [Шейд, 2004]. Таким образом, были определены альвеолярная вентиляция и скорость кровотока Q. Измеренные скорости потребления кислорода в тканях Jо 2 и метаболической продукции углекислого газа Jсо2 равны 339.4 мл/мин, 385.3 мл/мин соответственно. Используя вышеприведенные оценки объемов, рассчитали количество углекислого газа и кислорода в легочном резервуаре – МLо2 и МLсо2, в тканевом резервуаре – МТо2 и МТсо2, напряжение газа i в венозной крови Pvо2 и Pvсо2. Расчетные параметры модели представлены в таблице 15. 113 Известно, что при снижении артериального Рао2 и с увеличением Расо2 до уровня 60 мм рт.ст. наблюдается увеличение кровотока до 10-15% [Koehler, McDonald, Krasney, 1980], поэтому была введена линейная зависимость кровотока от концентраций газов в артериальной крови, однако такое увеличение кровотока заметных изменений в результаты моделирования газодинамики не дают. Таким образом, динамика кровотока, выделение СО2, поглощение О2 и объемные характеристики моделирования могут приняты быть правдоподобными незначительно и в скорректированы. процессе Методы идентификации параметров сложных систем не использовали в связи с большим количеством параметров [Lennert, 1999], поэтому применили экспертную оценку физиологических параметров. Таблица 15 - Расчетные параметры моделирования, определяющие кардиореспиратоную систему испытуемого в состоянии покоя и после гипервентиляции Параметр Ji, мл/мин MLi, л MTi, л Pv, мм рт.ст. VAE, л/мин Q, л/мин Дыхание в покое CO2 O2 385.3 339.4 0.61 0.79 10.16 0.76 47.06 38.57 7 7.8 После «гипервентиляции» CO2 O2 385.3 339.4 0.38 0.83 9.62 0.76 44.2 39.1 7 7.9 При моделировании проведенных экспериментов полагаем, что поток воздуха через ХПИ в контуре полностью закрыт. Скорость перемешивания в контуре постоянна и равна 10 л/с, таким образом, газовая смесь в контуре объемом 20 литров перемешивается практические мгновенно. При моделировании дыхания в покое полагаем, что испытуемый дышит в атмосферу. Динамика парциального давления СО 2 при дыхании в покое представлена на рисунке 32. При этом резервуар, определяющий дыхательный контур имеет бесконечно большой объем, а концентрации углекислого газа и кислорода принимаются в нем равными атмосферным. Детально паттерны дыхания и динамика кислорода во времени представлены в приложении (прил., рис. 6, 7). 114 Рисунок 32 – Изменение напряжения углекислого газа во времени при дыхании в покое в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления углекислого газа в бесконечно большом резервуаре атмосфере (зеленая кривая) Во время эксперимента перед тестом с возвратным дыханием был проведен маневр гипервентиляции длительностью 60 секунд, следовательно, для корректного моделирования процесса газовой динамики, необходимо определить содержание газов в отдельных резервуарах после гипервентиляции. Динамика парциального давления СО2 во время маневра гипервентиляции представлена на рисунке 33. Средняя вентиляция испытуемого в период маневра гипервентиляции составляла 50±8.1 л/мин при частоте 15±2.3 циклов за минуту, при этом PETco2 поддерживалось на уровне 20-25 мм рт.ст., PETo2 при этом составляло 138-142 мм рт.ст. Динамика О2 и дыхательный паттерн во время гипервентиляции представлены в приложении (прил., рис. 8, 9). Были определены количество углекислого газа и кислорода в легочном резервуаре – МLi, и в тканевом резервуаре – МТi и напряжение газа i в венозной крови Pv после маневра гипервентиляции. Результаты представлены в таблице 4. 115 Рисунок 33 – Изменение напряжения углекислого газа во времени во время гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления углекислого газа в бесконечно большом резервуаре атмосфера (зеленая кривая) Экспериментальное и теоретическое исследование теста с возвратным дыханием гипероксической ДГС провели для условий заполнения контура объемом 24 л смесью с концентрацией кислорода 73±2% и концентрацией углекислого газа 0.030±0.002%. При этом время нарастания РЕТсо2 от 21 мм рт.ст. до 60 мм рт.ст. составило 770 секунд. При этом частота дыхания изменилась от 6 до 18 циклов в минуту. Пределы изменения объемов дыхания составили от 2.1 до 2.8 литров, а вентиляция дыхания постепенно нарастала от 13 до 50 л/мин. На рисунке 34 отображены расчетные и экспериментально полученные кривые динамики Рсо2 во времени при проведении теста ВД1. Экспериментальные значения РЕТсо2 и РЕТо2 на вдохе соответствуют расчетным парциальным давлениям газов в дыхательном контуре РBсо2 и РBо2, а на выдохе – расчетным парциальным давлениям СО2 и О2 в смешанном альвеолярном газе Р Aсо2 и РAо2. Видно, что расчетные кривые хорошо соответствуют экспериментальным данным. Другие результаты моделирования представлены в приложении (прил., рис. 10 - 12). 116 Рисунок 34 – Расчетные и экспериментально полученные кривые динамики парциального давления углекислого газа во времени при возвратном дыхании гипероксической смесью. Красная кривая – расчетные значения Рсо2 в артериальной крови; зеленая кривая - расчетные значения Рсо2 в дыхательном контуре; черная кривая – экспериментально полученная кривая динамики РETсо2, провал на экспериментальной кривой на 480 секунде произошел во время автоматического включения просушивания датчика С помощью результатов имитационного моделирования теста ВД1 можно оценить вклад периферического хеморефлекса в вентиляционную реакцию промоделировав тест ВД2 с воздействием гиперкапнии, сочетанной с гипоксической стимуляцией. В тесте возвратного дыхания, при котором контур изначально наполнен воздухом (Ро2=149.4 мм рт.ст., Рсо2=0.21 мм рт.ст) вентиляция растет за счет, как реакции на гиперкапнический стимул, так и за счет реакции на гипоксический стимул, а поскольку РЕТо2 в конце теста достигает только 60 мм рт.ст., сильная гипоксия не успевала развиться. 117 Полученное в результате эксперимента уравнение (33) описывает вентиляционную чувствительность на гиперкапнию, сочетанную с легкой гипоксией. В этом эксперименте достигаемая вентиляция включает базальную составляющую и вентиляцию, обусловленную центральным и периферическим хеморефлексами. При этом вентиляция, обусловленная периферическим хеморефлексом, учитывает реакцию на гипоксическое воздействие в соответствии с уравнениями (26) – (27). Таким образом, уравнение (33) можно представить в следующем виде: , (37) где С равно 32 мм рт.ст. Величину базальной вентиляции приняли равной вентиляции испытуемого в покое. Вентиляционная реакция, обусловленная центральным хеморефлексом, была определена в тесте с возвратным дыханием гипероксической ДГС. Имитационное моделирование осложняется не однозначным определением параметров А и Тр в уравнении (37). В зарубежной литературе представлена кривая зависимости вентиляции от альвеолярного Рао2, при возвратном дыхании в условиях изокапнии [Weil et al., 1970]. В соответствии с этой зависимостью можно предположить, что вклад гипоксической стимуляции при РЕТо2, равном 60 мм рт.ст., не превышает 5 л/мин, при этом параметр А, характеризующий форму кривой гипоксической реакции на снижение РЕТо2, приблизительно равен 16.0 л/мин. Для моделирования вентиляционной реакции на гиперкапнию, сочетанную с гипоксической стимуляцией, первоначально примем параметр А равным 16.0 л/мин, а порог периферического хеморефлекса зададим равным 35 мм рт.ст. Путем нескольких последовательных итераций проводится коррекция этих параметров. В качестве главного критерия соответствия принимается наклон моделированной вентиляции к нарастающему парциальному давлению углекислого газа в системе, значение которого должно соответствовать экспериментально полученной вентиляционной реакции на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией. Таким образом, провели коррекцию параметров А и Тр, обеспечивающую равенство расчетного и экспериментального значений 118 вентиляционной реакции (при = 3.48 л/мин/мм рт.ст.), которое было достигнуто при А = 15.1 л/мин/мм рт.ст. и Тр = 44 мм рт.ст. В ходе возвратного дыхания с нарастающей гипоксией для выбранного испытуемого время изменения РЕТо2 от 140 мм рт.ст. до 60 мм рт.ст. составило 660 секунд. При этом частота дыхания изменилась от 6 до 18 циклов в минуту. Пределы изменения объемов дыхания от 2.1 до 2.8 литров, а вентиляция дыхания изменялась в пределах от 12 до 50 л/мин. В таблице 16 представлены результаты эксперимента и результаты моделирования. Таблица 16 - Сопоставление результатов эксперимента и полученных на их основе результатов моделирования; ВД1 – возвратное дыхание гипероксической ДГС, ВД2 – возвратное дыхание с нарастающей гипоксией; Pai – напряжение газа i в артериальной крови, мм рт.ст.; Δ/aэксп – относительная разница значений, % Экспериментальные данные ВД1 ВД2 Параметр 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Paco2(T0) Pao2(T0) 23.3 138.1 770.4 48.2 16.7 328.5 - ,с л/мин Pao2(Paco2=60) ,с , л/мин Paco2(Pao2=60) 23.6 139.4 546.2 33.2 13.3 54.4 Результаты моделирования ВД1 ВД2 19.96 141.3 750 50 17 339.1 - 19.96 141.3 565.4 32.1 14 51.1 Δ Δ/aэксп ВД1 ВД2 ВД1 ВД2 3.34 3.2 20.4 1.8 0.3 10.6 - 3.64 1.9 - 2.6 3.7 1.7 3.2 - 3.5 3.3 5.2 6.1 19.2 1.1 0.7 3.3 Были сопоставлены величины напряжений СО2 и О2 в артериальной крови в начале возвратного дыхания Paco2(T0) и Pao2(T0), время достижения Paco2 до уровня 60 мм рт.ст. – и парциальное давление кислорода, при этом – Pao2(Paco2=60), а так же достигнутая величина вентиляции и частоты дыхания в этот момент, время достижения Pao2 до уровня 60 мм рт.ст. – и напряжение углекислого газа при этом – Paсо2(Pao2=60), для тестов с гипоксической стимуляцией и соответствующие величины вентиляции частоты дыхания . и 119 Условия гипероксического теста, проведенного ранее, немного отличались от условий проведения возвратного дыхания с нарастающей гипоксией (не считая отличия в ДГС). Немного отличались объем дыхательного контура, время проведения эксперимента, общее состояние испытуемого. При этом моделирование теста с гипоксической стимуляцией основано на результатах моделирования гипероксичесого теста. Таким образом, возможны некоторые отклонения моделированных и экспериментальных результатов, что наглядно продемонстрировано в таблице 16. Однако все отклонения в пределах допустимой нормы. На рисунке 35 представлена газовая динамика кислорода в выделенных резервуарах при гипоксическом стимуле, сочетанном с гиперкапническим, в тесте с возвратным дыханием. Другие результаты моделирования представлены в приложении (прил., рис. 13-15). Рисунок 35 – Изменение напряжения кислорода во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления кислорода в дыхательном контуре (зеленая кривая) 120 На рисунке 36 отображено изменение вентиляции от парциального давления углекислого газа на выдохе, наклон изменения линейной аппроксимации которой, сопоставляется с результатами эксперимента. Данная зависимость получена при математическом моделировании с входными параметрами, определенными при моделировании гипероксического теста, и ввода соответствующего коэффициента А, равного 15.1 л/мин. Рисунок 36 – Линейная аппроксимация изменения вентиляции (л/мин) от изменения парциального давления углекислого газа на выдохе (мм рт.ст.), наклон которой, сопоставляется с результатами эксперимента Для оценки адекватности математической модели биотехнической системы «кардиореспираторная система человека – аппаратно-программный комплекс» были промоделированы дополнительные тесты с возвратным дыханием для того же испытуемого, но при отличных начальных условиях. Тест с возвратным дыханием без предварительного маневра гипервентиляции был проведен на модифицированном АПК с объемом контура, равным 20 литрам. Сравнение расчетных и экспериментальных данных для обоих тестов показало адекватность расчетов. Результаты представлены в таблице 17. В частности, для теста ВД2 расчетное время снижения Pao2 до уровня 60 мм рт.ст. (446 с) отличается от экспериментального (432 с) на 3%. При этом экспериментальное значение вентиляции, достигнутой при Pao2, равном 60 мм рт.ст. (27.1 л/мин), на 9% превышает расчетное значение. Расчетное значение вентиляционной реакции на гиперкапнию в тесте ВД2 (3.71 л/мин/мм рт.ст.) на 1% ниже экспериментально полученного результата. 121 Таблица 17 - Сопоставление результатов эксперимента и результатов независимого от эксперимента моделирования; ВД1 – возвратное дыхание гипероксической ДГС, ВД2 – возвратное дыхание с нарастающей гипоксией; Pai – напряжение газа i в артериальной крови, мм рт.ст.; Δ/aэксп – относительная разница значений, % Параметр 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Paco2(T0) Pao2(T0) ,с л/мин Pao2(Paco2=60) ,с , л/мин Paco2(Pao2=60) Scp, л/мин/мм рт.ст. Экспериментальные данные Hyper Hypo 114. 2±1.1 39.1±2.1 580 33.1 14 338 2.39 113.1±0.9 39.5±1.1 432 27.1 15 53.5 3.76 Результаты моделирования Hyper Hypo 112.7 36.6 569.3 29.9 14 341.4 2.33 Δ/aэксп Hyper Hypo 1 6 2 9 0 1 3 0.3 7 3 9 0 5 1 112.7 36.6 446 24.6 15 51 3.71 На рисунках 37 и 38 представлены полученные кривые динамики газа в выделенных резервуарах для моделирования возвратного дыхания без предварительно маневра гипервентиляции. Прочие результаты имитационного моделирования представлены в приложении (прил., рис. 16 - 23). Рисунок 37 – Изменение напряжения кислорода во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления кислорода в дыхательном контуре (зеленая кривая) 122 Таким образом, отклонения результатов моделирования от экспериментов не превосходят 10%. Эти отклонения могут быть связаны с тем, что в расчетах использовали значения ряда параметров из литературы (параметры, описывающие газотранспортные свойства крови испытуемого, объемы крови и ткани). Рисунок 38 – Изменение напряжения углекислого газа по времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления углекислого газа в дыхательном контуре (зеленая кривая) Математическая модель хорошо зарекомендовала себя в качестве инструмента для расчета газодинамических параметров при моделировании различных тестов с возвратным дыханием. 123 4.3. Исследование времени выравнивания содержания углекислого газа и кислорода между выделенными резервуарами По мнению авторов теста, высокий начальный уровень углекислого газа в мешке для возвратного дыхания должен обеспечивать быстрое выравнивание Рсо 2 в артериальной крови, в смешанной венозной крови, в альвеолярном пространстве и в дыхательном контуре, включающем мешок [Read, 1967]. В то время, пока выделение углекислого газа в ходе основного обмена веществ находится на уровне состояния покоя, вентиляция и кровообращение хорошо выравнивают концентрации внутри дыхательной системы «мешок – легкие - кровь», и рост СО2 у центральных хеморецепторов отражается на величине Рсо2 в мешке для возвратного дыхания. На рисунках 32 и 39 наглядно отображена динамика газообмена между выделенными резервуарами при дыхании в состоянии покоя. Рисунок 39 - Изменения в напряжениях СО2 в артериальной крови, смешанной венозной крови, в альвеолярном пространстве, и в мешке при дыхании в покое и при возвратном дыхании. Предполагается, что высокая начальная концентрация углекислого газа в мешке для возвратного дыхания обеспечивает быстрое выравнивание между выделенными резервуарами [Mohan, 1997] 124 Наиболее подходящий объем контура для возвратного дыхания и начальные концентрации СО2 и О2 в контуре могут быть выбраны на основе исследования динамики концентраций этих газов в выделенных резервуарах разработанной модели. При моделировании степень газового равновесия в биотехнической системе характеризовали величинами: – разность значений парциальных давлений между альвеолярным пространством и дыхательным контуром; и С – разность значений концентраций в артериальной и смешанной-венозной крови. Со временем величина стремится к отношению скорости выделения СО2 к альвеолярной вентиляции легких. Времена сходимости и С к асимптотическому значению характеризуют скорость выравнивания газов в системе. В качестве входных параметров, описывающих человека, примем значения параметров нормального здорового человека [Шейд, 2004]. В задаче рассматривались четыре варианта начального наполнения контура объемом 15 л газовыми смесями с концентрациями углекислого газа: 0.03% - соответствующей концентрации СО2 в атмосфере; 3% СО2; 7% СО2; и концентрацией, равной FЕТсо2 человека при дыхании в покое. Процесс возвратного дыхания моделируется до достижения РЕТсо2 или РЕТо2 величины 60 мм рт.ст. Согласно расчетам в каждом из 4 случаев значения и С по мере продолжения теста с возвратным дыханием стремится к предельным значениям 6.9 мм рт.ст. для разности значений парциальных давлений между альвеолярным пространством и дыхательным контуром и 0.011 для разности значений концентраций в артериальной и смешанно-венозной крови. На рисунке 40 представлено выравнивание парциального давления углекислого газа для каждого из случаев. Видно, что самое быстрое выравнивание происходит при наполнении дыхательного контура смесью с начальной концентрацией СО2, равной FЕТсо2 у рассматриваемого обследованного. 125 Рисунок 40 – Выравнивание содержания углекислого газа между альвеолярным пространством и дыхательным контуром при начальной концентрации в дыхательном контуре, равной 0.03% (синий), 3% (красный), 7% (зеленый) и равной FЕТсо2 человека при дыхании в покое (черный) При этом было обнаружено, что при условии наполнения контура смесью с начальной концентрацией СО2 равной 0.03%, за время моделированного возвратного дыхания величина снижается только до 8 мм рт.ст., не достигнув стационарного значения , стремится величина равного 6.9 мм рт.ст. К этому значению при моделировании возвратного дыхания для каждой из начальных смесей в дыхательном контуре. Допустим, что разность между значением , достигнутого за время возвратного дыхания при условии наполнения контура смесью с начальной концентрацией СО 2 0.03%, и величиной, характеризующей выравнивание парциальных давлений в системе – 6.9 мм рт.ст. задает отклонения, в пределах которых принимается, что в биотехнической системе достигнуто выравнивание парциальных давлений по углекислому газу. На рисунке 40 границы этого диапазона выделены красными линиями. Таким образом, в случае наполнения контура газовой смесью с концентрацией СО 2, равной 0.03%, выравнивание в системе наступает через время Т0.03, равное 495 126 секунд. Тр - время достижения границ выделенного диапазона при наполнении контура смесью с начальной концентрацией СО 2, соответствующей РЕТсо2 выдыхаемому человеком при дыхании в покое, значительно меньше других рассмотренных случаев и составляет 105 секунд. Согласно полученным данным, быстрее всего выравнивание происходит при наполнении дыхательного контура смесью с начальной концентрацией СО 2, равной фракционной концентрации FЕТсо2 выдыхаемом человеком при дыхании в покое. Выравнивание содержания артериальной кровью С углекислого газа между венозной и и представлено на рисунке 41. Рисунок 41 – Выравнивание содержания углекислого газа между венозной и артериальной кровью С при начальной концентрации в дыхательном контуре, равной 0.03% (синий), 3% (красный), 7% (зеленый) и соответствующей РЕТсо2 человека при дыхании в покое (черный) Другие результаты моделирования представлены в приложении (прил., рис. 24). 127 Аналогично решению рассмотренной задачи о выравнивании Рсо 2 в биотехнической системе с помощью модели можно рассчитать динамику газообмена во время теста с возвратным дыханием в различных условиях. В рамках работы был проведен анализ влияния начальной концентрации кислорода в смеси с 0.03% и 5.61% СО2 на скорость выравнивания углекислого газа. Было обнаружено, что с повышением начальной концентрации О 2 существует тенденция к замедлению и ухудшению выравнивания СО 2 (прил., рис. 25). Моделирование возвратного дыхания в условиях гипероксии с начальной концентрацией 0.03% и 5.61% СО2 в контуре различных объемов – 10л, 15л, 20л принесло предсказуемый результат, а именно, чем меньше объем, тем лучше выравнивание в системе (прил., рис. 26, 27). Моделирование возвратного дыхания в условиях гипоксии с начальной концентрацией 0.03% и 5.61% СО2 в контуре для различных объемов – 10л, 15л, 20л продемонстрировали те же результаты (прил., рис. 30, 31). В условиях гипоксии значения разницы и С уменьшаются быстрее, чем в условиях гипероксии, при этом в меньшем объеме и С быстрее выходит на плато. При этом в случае, когда начальная концентрация СО 2 в дыхательном контуре соответствует РЕТсо2 при дыхании в покое при большем объеме процесс снижения рис 28, 29). и С протекает более равномерно (прил., 128 4.4. Влияние антиортостатического положения тела человека на регуляцию дыхания Проблема зависимости вегетативных функций человека от позы и положения тела в пространстве чрезвычайно важна не только в теоретическом, но и практическом плане. Особое внимание этому вопросу уделяется в космической медицине, где АНОП используется в качестве экспериментальной модели физиологических эффектов микрогравитации. Из сравнения серий экспериментов видно, что переход из положения сидя в положение АНОП вызывает больший прирост дыхательного объема в ответ на нарастающую гиперкапнию по сравнению с приростом вентиляции в ответ на нарастающую гиперкапнию, то есть рост дыхательного объема обгоняет рост вентиляции. Это может быть вызвано увеличением сопротивления дыханию в АНОП. В свою очередь, повышение сопротивления вызвано снижением функциональной остаточной емкости (ФОЕ). Уменьшение ФОЕ [Bettinelli, Kays, Bailliart, 2002] и увеличение сопротивления дыхания было обнаружено в положениях лежа [Xie et al., 1993] по сравнению с положением сидя. При увеличенном сопротивлении дыханию рост вентиляции за счет роста дыхательного объема выгоднее, чем за счет роста частоты дыхания, так как при этом не так сильно возрастает работа дыхания. Кроме того, известно, что в положении АНОП прирост легочной вентиляции и чувствительность респираторной системы к гипоксическому стимулу снижается в результате уменьшения вклада периферической хеморецепции в регуляцию дыхания. По-видимому, увеличение инспираторного усилия, опосредованного механорецепторными механизмами регуляции дыхания, недостаточно для поддержания легочной вентиляции, соответствующей вертикальному положению тела [Донина и др., 2013]. В предлагаемой модели учесть все вышеперечисленные изменения невозможно, однако существует возможность оценить эффект от перераспределения жидкостей в организме и от изменения дыхательных объемов 129 и емкостей на вентиляционную реакцию при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией и при возвратном дыхании гипероксической ДГС. В рамках математического моделирования было допущено, что в положении АНОП увеличился объем крови в легочном резервуаре Vlbl за счет крови из тканевого резервуара Vcbl на 1 литр. В результате в легочном и тканевом резервуарах изменилось количество углекислого газа и кислорода М Li и МТi. Кроме того, в результате перераспределения объема крови в легкие уменьшился объем альвеолярного пространства Valv. Другие параметры остались без изменений. Учитывая изменения в распределении крови и изменения ФОЕ, рассчитали количество углекислого газа и кислорода в легочном резервуаре – МLо2 и МLсо2, в тканевом резервуаре – МТо2 и МТсо2, парциальное давление газа i в венозной крови Pvо2 и Pvсо2. Расчеты проводили для нормальной крови здорового человека [Шейд, 2004]. Результаты расчетов и представлены в таблице 18. Таблица 18 - Входные параметры модели в горизонтальном положении тела и в положении АНОП Параметр Fai Ji, мл/мин MLi, л MTi, л Pv, мм рт.ст. VAE, л/мин Q, л/мин Vlbl, л Vcbl, л Valv, л Вертикальное положение CO2 O2 0.056 0.143 385.3 339.4 0.61 0.79 10.16 0.76 47.06 38.57 7 7.8 0.6 4.4 3.5 АНОП CO2 0.056 385.3 1.04 9.6 47.1 O2 0.143 339.4 0.83 0.62 38.6 7 7.8 1.6 3.4 2.5 Промоделировав возвратное дыхание в положении АНОП и в вертикальном положении при одинаково заданных вентиляционных реакциях на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической смесью, и одинаково заданном параметре А, определяющем форму кривой гипоксической реакции на снижение РЕТо2, сравнили полученные данные для гипоксического и гипероксического теста. Результаты сопоставления в таблице 19. 130 Было обнаружено, что в положении АНОП разница в вентиляционных реакциях на нарастающую гиперкапнию при возвратном дыхании гипоксической и гипероксической ДГС на 9% больше, чем в вертикальном положении. Это можно объяснить более интенсивным приростом общей вентиляции ( ), причем больший вклад в этот рост вносит вентиляция, обусловленная центральным хеморефлексом, поскольку вентиляция, обусловленная периферическим хеморефлексом, включающим гипоксическую составляющую ( О р), которая в положении АНОП выросла на 40% меньше, чем в вертикальном положении на соответствующем уровне РЕТсо2. Линейные аппроксимации изменения вентиляции от изменения парциального давления углекислого газа для каждого из моделируемых тестов представлены на рисунках 42 и 43. Таблица 19 - Результаты моделирования возвратного дыхания при гиперкапническом стимуле в вертикальном положении и АНОП, ВД1 – возвратное дыхание гипероксической ДГС, ВД2 – возвратное дыхание при нарастающей гипоксии; О – вентиляция, обусловленная периферическим хеморефлексом, включающим гипоксическую составляющую, SV – чувствительность вентиляции на гиперкапнию, л/мин/мм рт.ст. Параметр ,с л/мин О , мм рт.ст. ,с С * , л/мин * , л/мин О * * S V* PVO* Вертикальное положение ВД1 ВД2 553.7 51.4 14.3 51.5 417.7 1 1.21 52.5 1 1.07 12.6 1 9.5 11.2 1 1.06 1 1.52 1 1.57 АНОП ВД1 561.5 50.7 12.5 1 1 1 1 1 1 Δ, % ВД2 50.1 405.1 1.17 51.2 1.29 12.1 9.1 10.75 1.02 1.61 1.7 ВД1 21 7 950 6 52 57 ВД2 17 29 910 2 61 70 Знак * обозначает величины нормированные на значение этого же параметра, полученного для ВД1 при РЕТсо2, равном 60 мм рт.ст. 131 Рисунок 42 – Линейная аппроксимация зависимости вентиляции (л/мин) от парциального давления углекислого газа (мм рт.ст.) на выдохе при возвратном дыхании гипоксической ДГС для здорового человека в вертикальном положении В действительности увеличение кровенаполнения легких, которое происходит в условиях АНОП, снижает их эластические свойства, уменьшает растяжимость и увеличивает эластический компонент сопротивления дыхания. При этом изменяются положения легких, диафрагмы, конфигурация грудной клетки, что приводит к снижению легочных объемов, скорости респираторных потоков, изменению паттерна дыхания. Кроме того, при изменении направления вектора гравитации происходит перераспределение жидкостей в организме, в результате чего изменение сосудистого давления в области шеи воздействует на работу периферических хеморецепторов, реагирующих на изменение концентрации газов в крови [Prisk, Elliott, West, 2000]. В модели допущено, что переход в АНОП вызывает рост в ФОЕ и перераспределение 1 л крови из тканевого резервуара в легочный резервуар. Однако эти изменения составляют только часть тех изменений, что происходят при этом в организме. А значит изменения, обнаруженные в реакции на гиперкапнию, приходятся только на изменения в соответствующих параметрах модели, а входной параметр вентиляционной реакции на гиперкапнический стимул, заданный кусочно-линейной зависимостью от линейной аппроксимации Paco2, может заведомо отличаться при моделировании возвратного дыхания в различных положениях тела человека. 132 Рисунок 43 – Линейная аппроксимация зависимости вентиляции (л/мин) от парциального давления углекислого газа (мм рт.ст.) на выдохе при возвратном дыхании гипоксической ДГС для здорового человека в положении АНОП Таким образом, можно заключить следующее: 1. Разработана математическая модель функционирования БТС, содержащей кардиореспираторную систему человека и АПК для исследования вентиляционной реакции дыхания. Верификация модели путем сопоставления результатов моделирования с результатами экспериментов показала адекватность математической модели. 2. С помощью математической модели можно объективно сравнивать результаты тестов с возвратным дыханием, проведенных в отличающихся условиях, с применением дыхательных контуров разного объема или при применении отличающихся методик. 3. Математическая модель позволила определить, что наиболее быстрое выравнивание парциального давления СО2 между тканями, легкими человека и дыхательным контуром происходит при начальной концентрации газа в дыхательном контуре, равной концентрации СО2 в конечной порции выдыхаемого газа у данного человека в состоянии покоя. А с увеличением концентрации кислорода в исходной газовой смеси дыхательного контура в пределах от 20 до 75% время выравнивания парциального давления углекислого газа между выделенными в модели резервуарами сокращается. 133 Заключение и практические рекомендации по разработке космического варианта комплекса Разработанные в данной работе методики и устройство для исследования хемочувствительности кардиореспираторной системы позволили получить уникальные данные о вентиляционной реакции на измененные дыхательные газовые смеси в различных положениях тела и в условиях моделируемой невесомости. Тест с возвратным дыханием для определения реакции на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, рекомендуется для применения в исследованиях изменений регуляции дыхания во время космического полета. Разработанное устройство позволяет определять динамические характеристики вентиляционных реакций, отрабатывать методику проведения исследований, активно изучать механизмы регуляции дыхания. Разработанные в рамках диссертационной работы аппаратно-программный комплекс и методика исследования реакции респираторной системы позволяют сформулировать определенные требования для разработки бортового варианта установки. Известные недостатков, земные таких, как и космические необходимость устройства-аналоги дополнительного имеют ряд оборудования, например, баллонов со сжатым газом, нерегулируемость скорости нарастания концентрации СО2, снижения концентрации О2 в системе при отсутствии баллонов со сжатым газом и плохая сопоставимость результатов, полученных с помощью разных методик. В предлагаемом АПК объем контура увеличен по сравнению с аналогами, поскольку для установления равновесия между концентрацией СО2 в артериальной крови и тканями мозга, где локализованы области центральной хемочувствительности дыхания необходимо время. Кроме того, в разработанном АПК для оказания гиперкапнического воздействия используется только собственный метаболический углекислый газ испытуемого; обеспечено управление потоком газовой смеси через химический поглотитель или 134 байпас за счет нагнетателя воздуха, и предусмотрен генератор кислорода для заполнения системы гипероксической смесью и дозированной подачи кислорода в систему, а процесс проведения тестирования автоматизирован. Внедренные в систему модификации показали свою эффективность и работоспособность, а значит, рекомендуются к применению в разрабатываемой в дальнейшем системе. Кроме того, в диссертационной работе отражена необходимость включения параметра реакции дыхательного объема в измеряемые в условиях космического полета физиологические показатели. Однако предлагаемая разработка требует непосредственного участия оператора для проведения исследования с обследуемым. Из этого следует, что для разработки космического варианта комплекса, в первую очередь, необходимо повысить уровень автоматизации для исключения участия в тестах оператора. Полная автоматизация процесса исследования является одной из задач дальнейшей исследовательской работы. 135 Выводы 1. В условиях моделируемой невесомости реакция респираторной системы на гиперкапническо-гипоксическое воздействие изменяется: в условиях АНОП и «сухой» иммерсии точка апноэ статистически значимо сдвигается вправо. 2. Реакция дыхательного объема на гиперкапническо-гипоксический стимул в условиях моделируемой невесомости достоверно увеличивалась по сравнению с положением сидя. В условиях невесомости и при других гравитационных воздействиях реакция дыхательного объема может быть более информативным параметром, чем вентиляционная реакция. 3. Длительное воздействие гипоксии при пребывании в аргоносодержащей атмосфере влияет на регуляцию дыхания и усиливает прирост дыхательного объема в ответ на гиперкапнический стимул, тогда как длительное воздействие гипоксии при пребывании в азотосодержащей атмосфере усиливает вентиляционную реакцию. 4. Для изучения реакции респираторной системы на гипоксию и гиперкапнию разработан АПК с учетом ограничений в применении баллонов с СО 2 и О2 в гермообъектах, в том числе на борту космической станции. С помощью АПК и специально разработанной методики можно проводить различные тесты с возвратным дыханием. 5. Верификация разработанной математической модели функционирования БТС, содержащей кардиореспираторную систему человека и АПК для исследования реакции респираторной системы на гипоксию и гиперкапнию, путем сопоставления экспериментальных результатов моделирования, показала адекватность математической модели. 6. Математическая модель позволила установить, что наиболее быстрое выравнивание парциального давления СО2 между тканями, легкими человека и дыхательным контуром происходит при начальной концентрации газа в дыхательном контуре, равной концентрации СО2 в конечной порции выдыхаемого газа у данного человека в состоянии покоя. 136 Благодарности В заключение, я хочу поблагодарить своих научных руководителей: д.т.н. Дьяченко Александра Ивановича и д.м.н. Суворова Александра Владимировича за постановку задачи и практическую помощь, к.б.н. Шулагина Юрия Алексеевича за обсуждение ряда проблем и рекомендации по проведению экспериментов. Гончарова А. О. за совместную работу и помощь при обработке результатов; Демина А.В., Семенова Ю.С., Ермолаева Т.С. за благотворное сотрудничество; Ермолаева С.Н. и Салахова Е.Н. за помощь в реализации конструкторского решения. Кроме того, хочу выразить глубокую признательность Ермолаевой Ф. С. и Зотовой А. А. за терпение и неоценимую поддержку. 137 Список обозначений и сокращений АОП – антиортостатическое положение тела БТС - биотехническая система ВД возвратное дыхание – ВД1 – тест на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией, при дыхании воздухом ВД2 – тест на гиперкапнию при дыхании гипероксической газовой смесью ВР – вентиляционная реакция ГВ – гипервентиляция ДГС – дыхательная газовая смесь МКС – Международная космическая станция ПХР – периферические хеморецепторы ЦХР – центральные хеморецепторы ХПИ – химический поглотитель известковый LMS – Life and Microgravity Spacelab (Космическая лаборатория для исследований в области биологии и микрогравитации) Сai(t) – количество газа i в артериальной крови Сd коэффициент расхода – Сvi(t) – количество газа i в венозной крови D – диаметр канала FAi – фракционное содержание i газа в альвеолярном воздухе (отношение числа молекул i газа к общему числу молекул всех газов) F – коэффициент сопротивления трубки G – массовый расход JCO2 – скорость метаболической продукции углекислого газа в тканевом резервуаре Jij – приток или сток вещества i через резервуар, другой источник или сток с номером j JO2 – резервуаре скорость метаболического потребления кислорода в тканевом 138 Na – число Авогадро Ni – буферная емкость крови для газа i Mi – масса вещества i Pai – напряжение i газа в артериальной крови PAi – парциальное давление i газа в альвеолярном воздухе PB – барометрическое (полное) давление PEi – парциальное давление i газа в смешанном выдыхаемом воздухе Pvi – напряжение i газа в смешанной венозной крови Рсо2 – парциальное давление углекислого газа Ро2 – парциальное давление кислорода poi – давление на входе в элемент контура pH – концентрация водородных ионов p1i – давление на выходе из элемента контура Q(t) – скорость кровотока в легких и тканях – универсальная газовая постоянная – насыщение гемоглобина кислородом или СО2 в артериальной крови – насыщение гемоглобина кислородом или СО2 в венозной крови T – абсолютная температура Tr – продолжительность дыхательного цикла t1 – время перемещения крови от легочного резервуара до тканевого R резервуара по артериальному руслу – t2 время перемещения крови от тканевого резервуара до легочного резервуара по венозному руслу – полная вентиляция легких, включающая вентиляцию мертвого пространства AI – объемная скорость (альвеолярная вентиляция) воздуха на вдохе AE – объемная скорость (альвеолярная вентиляция) воздуха на выдохе – растворимость газа i в тканях – растворимость газа i в крови 139 Список литературы 1. Агаджанян Н.А., Елфимов А.И. Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии. М.: Медицина, 1986. 272 с. 2. Александрова Н.П., Донина Ж.А., Данилова Г.А., Тихонов М.А., Баранов В.М. Вентиляторный ответ на изокапническую гипоксию в антиортостатических условиях // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2008. Т. 94. № 12. С. 1414-1419. 3. Атьков О.Ю., Бедненко В.С. Гипокинезия, невесомость: клинические и физиологические аспекты. М.: Наука, 1989. 304 с. 4. Баевский Р.М., Слепченкова И.Н., Фунтова И.И., Черникова А.Г. Исследования физиологических функций организма бесконтактным методом во время сна в длительном космическом полете. Эксперимент «Сонокард» // Космическая биология и медицина. Т. 2: Медико-биологические исследования на российском сегменте МКС. М.: ГНЦ РФ-ИМБП РАН, 2011. С. 39-55. 5. Баранов В.М., Тихонов М.А., Асямолова Н.М., Волков М.Ю., Котов А.Н., Савченко Г.Э., Хайдаков К.С. Внешнее дыхание и газообмен в космических полетах: Обзор // Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1991. Т. 25. № 6. С. 4-8. 6. Баранов В.М. Дыхание и невесомость // Актовая речь, М.: ГНЦ РФ-ИМБП РАН, 2006. 54 с. 7. Баранов В.М. Физиологический анализ возможных причин гипоксемии в невесомости // Физиология человека, 2011.Т. 37. № 4. С. 72-78. 8. Баранов В.М., Котов А.Н., Тихонов М.А. Исследования вентиляторной функции лёгких и биомеханики дыхания в длительных космических полетах // Орбитальная станция «Мир». Том 2: Медико-биологические эксперименты. М.: ГНЦ РФ-ИМБП РАН, 2002. С. 17-24. 9. Баранов В.М., Миняева А.В., Миняев В.И., Колесников В.И., Попова Ю.А., Суворов А.В. Особенности произвольного управления дыхательными 140 движениями в условиях длительного космического полета // Вестник ТвГУ. Серия: Биология и экология, 2011a.Т. 23. № 20. С. 17. 10. Баранов В.М., Попова Ю.А., Суворов А.В., Дьяченко А.И., Колесников В.И., Миняева А.В., Миняев В.И. Исследование регуляции и биомеханики дыхания в условиях космического полёта // Космическая биология и медицина 2. Медикобиологические исследования на российском сегменте МКС, М.: ГНЦ РФ-ИМБП РАН, 2011b. С. 72-92. 11. Бреслав И.С., Пятин В.Ф. Центральная и периферическая хеморецепция системы дыхания // Физиология дыхания, ред. Бреслав И.С., Исаев Г.Г., СПб: Наука, 1994. C. 342, 416, 458. 12. Газенко О.Г., Григорьев А.И., Егоров А.Д. Реакции человека в космическом полете // Физиологические проблемы невесомости. М.: Медицина, 1990. С. 15-48. 13. Генин A.M., Волошин В.Г., Соколов В.И., Тихонов М.Л. Легочная вентиляция и легочный кровоток при действии отрицательного давления на нижнюю чисть тела // Космическая биология и медицина, 1969. Т. 3. № 6. С. 66-70. 14. Генин А.М., Дьяченко А.И. Дыхание при измененной гравитации // Физиология дыхания. Отв. ред. И.С.Бреслав и Г.Г.Исаев, СПб: Наука, 1994. С. 654-665. 15. Григорьев А.И., Егоров А.Д. Длительные космические полеты // Человек в космическом полете. М., 1997. С. 368-447. 16. Донина Ж.А., Баранов В.М., Александрова Н.П., Ноздрачев А.Д. Дыхание и гемодинамика при моделировании физиологических эффектов невесомости // СПб.: Наука, 2013. С 98 -108. 17. Дьяченко А.И. Влияние положения тела человека на дыхательный импеданс // Физиологя человека, 1996. Т. 22. № 1.С. 104-110. 18. Дьяченко А.И., Зизина А.Г., Степанов Е.В., Шулагин Ю.А. Математическая модель динамики содержания эндогенной моноокиси углерода в организме человека // Препринт 3, 2008. 141 19. Дьяченко А.И., Мехедова Е.Б., Шулагин Ю.А. Изменение дыхательного импеданса в условиях водной иммерсии // Российский журнал биомеханики, 2010. Т.14, № 1 (47). С. 86-94. 20. Дьяченко А.И., Шабельников В.Г. Математические модели действия гравитации на функции легких // Проблемы космической биологии. М.: Наука, 1985. Т. 51. 280 с. 21. Дьяченко А.И., Шулагин Ю.А., Суворов А.В., Ермолаев Е.С., Гончаров А.О. Заявка на патент РФ №2014102286 на изобретение от 24.01.2014 // Автоматизированный аппаратно-программный комплекс для оценки состояния системы регуляции дыхания. Получено положительное решение о выдаче патента. 22. Коваленко Е.А., Вацек А., Хаазе Г., Бобровницкий М.П., Семенцов В.Н. Кислородный режим тканей // Результаты медицинских исследований, выполненных на орбитальном научно-исследовательском комплексе «Салют-6» «Союз», М.: Наука, 1986. С. 293-301. 23. Коваленко Е.А., Черняков И.Н. Кислород тканей при экстремальных факторах полета // Проблемы космической биологии, М.: Наука, 1972. Т.21. 263 с. 24. Малкин В.Б., Гора Е.П. Гипервентиляция // Проблемы космической биологии, М.: Наука, 1990. Т. 70. 184 с. 25. Миняева А.В., Колесников В.И., Попова Ю.А., Суворов А.В., Миняев В.И., Баранов В.М. Динамика параметров произвольных дыхательных движений космонавтов в условиях длительного пребывания в невесомости // Вестник ТвГУ. Серия: Биология и экология, 2011. Т. 24. № 32. С. 16-29. 26. Попова Ю.А., Суворов А.В., Дьяченко А.И., Колесников В.И. Биомеханика и регуляция внешнего дыхания в условиях 5-суточной иммерсии // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2011. Т. 45. № 6. С. 26-31. 27. Суворов А.В. Внешнее дыхание и газообмен человека во время длительного пребывания в условиях гипербарии // Дисс. на соиск. уч.ст. к.м.н. М.:ИМБП, 1986. 137 с. 142 28. Уэст Д.Б. Физиология дыхания // М.: Мир, 1988. 29. Уэст Д.Б. Патофизиология органов дыхания // М.: Бином, 2008. 30. Хасис Г.Л. Показатели внешнего дыхания здорового человека. Кемерово, 1975. Ч. I. 250 с. Ч. II. 160 с. 31. Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Ермолаев Е.С., Гончаров А.О. Разработка метода оценки чувствительности дыхания человека к углекислому газу для применения в гравитационной физиологии // Технологии живых систем, 2012. Т.9. № 10. С. 14-22. 32. Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н. Влияние аргона на потребление кислорода человеком при физической нагрузке в условиях гипоксии // Физиология человека, 2001. Т.27. С. 95-101. 33. Шейд П. Физиология дыхания // Фундаментальная и клиническая физиология. Учебник. Под ред. А.Г. Камкина, А.А. Каменского, М.: «Академия», 2004. С. 773838. 34. Яхонтов Б.О., Шулагин Ю.А. Вентиляторная реакция на СО2 у водолазов при действии различных гипербарических факторов // "Гипербарическая медицина". Материалы VII Международного Конгресса по гипербарической медицине (2-6 сентября 1981). Т.2. М.: "Наука", 1983. С.195-198. 35. Ainslie P. N., Duffin J. Integration of cerebrovascular CO2 reactivity and chemoreflex control of breathing: mechanisms of regulation, measurement, and interpretation // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol., 2009. Vol. 296. № 5. P. 1473-1495. 36. Attinger E.O., Monroe R.G., Segal M.S. The mechanisms of breathing in different body postures // J. Clin. Invest., 1954. Vol. 35. P. 904–911. 37. Baranov V.M., Suvorov A.V., Dyachenko A.I., Popova J.A., Minyaeva A.V. and Kolesnikov V.I. Respiration and respiratory control in long-term spaceflight // 17th IAA Humans in Space Symposium, Moscow, Russia, June 7-11, 2009. P. 129-130. 38. Berger A.J., Dutton R.E., Krasney J.A. Respiratory recovery from CO2 breathing in intact and chemodenervated awake dogs // J. Appl. Physiol., 1973. Vol. 35. Р. 35–41. 143 39. Berkenbosch A., Bovill J.G., Dahan A., DeGoede J. and Olievier I.C.W. The ventilator CO2 sensitivities from Read’s rebreathing method and the steady-state method are not equal in man // Journal of Physiology, 1988. Vol. 411. Р. 367-377. 40. Bettinelli D., Kays C., Bailliart O. et al. Effect of gravity and posture on lung mechanics // J. Appl. Physiol., 2002. Vol. 93. P. 2044-2052. 41. Borg G.A. Psychophysical bases of perceived exertion. // Medicine and Science in Sports and Exercise, 1982. Vol. 14. P. 377-381. 42. Brown D. R., Forster H. V., Greene A. S. and Lowry T. F. Breathing periodicity in intact and carotid body-denervated ponies during normoxia and chronic hypoxia.// J. Appl. Physiol., 1993. Vol. 74, P. 1073–1082. 43. Brunner M.J., Sussman M.S., Greene A.S., Kallman C.H. and Shoukas A.A. Carotid sinus baroreceptor reflex control of respiration // Circ. Res., 1982. Vol. 51. P. 624–636. 44. Bye P.T. P., Esau S.A., Walley K.R., Macklem P.T. and Pardy R.L. Ventilatory muscles during exercise in air and oxygen in normal men // Journal of Applied Physiology, 1984. Vol. 56. P. 464-471. 45. Carlson J. T., Hedner J., Elam M., Ejnell H., Sellgren J. and Wallin B. G. Augmented resting sympathetic activity in awake patients with obstructive sleep apnea // Chest, 1993. Vol. 103. P. 1763– 1768. 46. Comroe J.H.Jn., Schmidt C.F. The part played by reflexes from the carotid body in the chemical regulation of respiration in the dog // Am. J. Physiol., 1938. Vol. 121. P. 75–97. 47. Cunningham D.J.C., Robbins P.A., Wolff C.B. Integration of respiratory responses to changes in alveolar partial pressures of CO2 and O2 and in arterial pH // Handbook of Physiology. Sec. 3: The Respiratory System. Vol. 2: Control of Breathing. Part II. Edited by N. S. Chemiack and J. G. Widdicombe. Bethesda, MD: American Physiological Society, 1986. P. 475-528. 48. Czyzyk-Krzeska M. F., Trzebski A. Respiratory related discharge pattern of sympathetic nerve activity in the spontaneously hypertensive rat // J. Physiol. (Lond.), 1990. Vol. 426. P.355–368. 144 49. Dejours P. Control of respiration by arterial chemoreceptors // Ann. NY Acad. Sci., 1963.Vol. 109. P. 682–695. 50. Donina Zh.A., Danilova G.A., Aleksandrova N.P. Effects of body position on the ventilatory response to hypercapnia. // Eur. J Med. Res., 2009. Vol. 14. № 4. P. 63-66. 51. Donnelly D. F. Are oxygen dependent K+ channels essential for carotid chemotransduction? // Respir. Physiol., 1997. Vol. 110. P. 211–218. 52. Duffin J. The chemoreflex control of breathing and its measurement // Canadian Journal of Anaesthesia, 1990. Vol. 37.P. 933-942. 53. Duffin J. Role of acid-base balance in the chemoreflex control of breathing // J. Appl. Physiol., 2005. Vol. 99. № 6. P. 2255-2265. 54. Duffin J. Measuring the ventilatory response to hypoxia // J. Physiol., 2007. Vol. 584. № 1. Р. 285-293. 55. Duffin, J. Measuring the respiratory chemoreflexes in humans // Respir. Physiol. Neurobiol., 2011. Vol. 177. № 2. P. 71-79. 56. Duffin J., McAvoy G.V. The peripheral-chemoreceptor threshold to carbon dioxide in man // Journal of Physiology (London), 1988. Vol. 406. Р. 15-26. 57. Duffin J., Mohan R. M., Vasiliou P., Stephenson R. and Mahamed S. A model of the chemoreflex control of breathing in humans: model parameters measurement // Respir. Physiol., 2000. Vol. 120. № 1. P. 13-26. 58. Duggan C.J., Watson A., Pridel A.B. Increases in nasal and pulmonary resistance in supine posture in asthma and normal subjects // American Review of Respiratory disease, 1990. Vol. 141. P. 716. 59. Dumas S., Pequignot J. M., Ghilini G., Mallet J. and Denavit-Saubre M. Plasticity of tyrosine hydroxylase gene expression in the rat nucleus tractus solitarius after ventilatory acclimatization to hypoxia //Mol. Brain Res., 1996. Vol. 40. P. 188–194. 60. Dyachenko A., Shulagin Y., Stepanov E. and Zizina A. System of metabolic gases transportation: simulation and parameters estimation by noninvasive technique // M. Long (Ed.): World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, IFMBE Proceedings, 2010. Vol. 31. P. 1587-1590. 145 61. Easton P.A., Slykerman L.J., Anthonisen N.R. Ventilatory response to sustained hypoxia in normal adults // J. Appl. Physiol., 1986. Vol. 61. Р. 906–911. 62. Eckberg D.L., Nerhed C.H., Wallin G. Respiratory modulation of the muscle sympathetic and vagal cardiac outflow in man // J. Physiol. (Lond.), 1985. Vol. 365. P. 181–196. 63. Eldridge F.L., Millhorn D.E. Oscillation, gating and memory in the respiratory control system // In Handbook of Physiology. Section 3: The Respiratory System, 1986. Vol. 2. P. 93- 113. 64. Elliott A.R., Prisk G.K., Schollman C. and Hoffman U. Hypercapnic ventilatory response in humans before, during and after 23 days of low level CO 2 exposure // Aviat. Space Environ. Med., 1998. Vol. 69. P. 391–396. 65. Endoh H., Kaneko T., Nakamura H., Doi K. and Takahashi E. Improved cardiac contractile functions in hypoxia-reoxygenation treated with low concentration CO2 // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 2000. Vol. 279. № 2713. P. 9. 66. Ermolaev E.S., Dyachenko A.I, Shulagin Y.A., Goncharov A.O. and Demin A.V. Effect of head-down human body position on chemoreflex control of Breathing // M. Long (Ed.): World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, IFMBE Proceedings, 2012. Vol. 39. P. 2068–2071. URL: www.springerlink.com. ISSN: 16800737. 67. Fencl V., Miller T.B., Pappenheimer J.R. Studies on the respiratory response to disturbances of acid-base balance, with deductions concerning ionic composition of cerebral interstitial fluid // Am. J. Physiol. , 1966. Vol. 210. Р. 459–472. 68. Fencl V., Vale J.R., Broch J.A. Respiration and cerebral blood flow in metabolic acidosis and alkalosis in humans // Journal of Applied Physiology, 1969. Vol. 27. Р. 6776. 69. Fitzgerald R.S., Penman R.W.B., Perkins J.F. and Zajtchuk Jr.J.T. Ventilatory response to transient perfusion of carotid chemoreceptors // Am. J. Physiol. , 1964. Vol. 207. P. 1305–1313. 146 70. Forster H. V., Dunning M. B., Lowry T. F., Erickson B. K., Forster M. A., Pan L. G., Brice A. G. and Effros R. M. Effect of asthma and ventilatory loading on PaCO2 during exercise in humans // J. Appl. Physiol., 1993. Vol. 75. Р. 1385–1394. 71. Fowle A. S. E., Campbell E. J. M. The immediate carbon dioxide storage capacity of man // Clinical Science, 1964. Vol. 27. Р. 41-49. 72. Fregosi R. F., Mitchell G.S. Long-tem facilitation of inspiratory intercostals nerve activity following carotid sinus nerve stimulation in cats // Journal of Physiology (London), 1994. Vol.477. P. 469-479. 73. Fritsch J. M., Charles J. B., Bennett B. S., Jones M. M. and Eckberg D.L. Shortduration spaceflight impairs human carotid baroreceptor-cardiac reflex responses // J. Appl. Physiol., 1992. Vol. 73. P. 664– 671. 74. Fritsch-Yelle J.M., Charles J. B., Jones M. M., and Wood M. L. Microgravity decreases heart rate and arterial pressure in humans // J. Appl. Physiol., 1996. Vol. 80. P. 910–914. 75. Ganong W.F. Review of Medical Physiology // Appleton and Lange. Connecticut, 1993. 380 p. 76. Goncharov A.O., Ermolaev E.S., Shulagin Y.A. and Dyachenko A.I. Effect of 3-day dry immersion on ventilator response to hypercapnic hypoxia // 40 th COSPAR Scientific Assembly, presentation F4.4-0024-14, 2014. 77. Greenberg H.E., Sica A., Batson D. and Scharf S.M. Chronic intermittent hypoxia increases sympathetic responsiveness to hypoxia and hypercapnia // J. Appl. Physiol., 1999. Vol. 86. № 1. P. 298–305. 78. Haselton J.R., Guyenet P.G. Central respiratory modulation of medullary sympathoexcitatory neurons in the rat // Am. J. Physiol., 1989. Vol. 256. P. 739–750. 79. Hedner J., Wilcox I., Laks L., Grunstein R. and Sullivan C. A specific and potent pressor effect of hypoxia in patients with sleep apnea // Am. Rev. Respir. Dis., 1992. Vol. 146. P. 1240–1245. 80. Hedner J., Darpo B., Ejnell H., Carlson J. and Caidahl K. Reduction in sympathetic activity after long-term CPAP treatment in sleep apnoea: cardiovascular implications // Eur. Respir .J., 1995.Vol. 8. P. 222–229. 147 81. Heistad D., Abboud F.M., Mark A.L., and Schmid P.G. Interaction of baroreceptor and chemoreceptor reflexes // J. Clin. Invest., 1974. Vol. 53. P. 1226–1236. 82. Heistad D., Abboud F.M., Mark A.L., and Schmid P.G. Effect of baroreceptor activity on ventilatory response to chemoreceptor stimulation // J. Appl. Physiol., 1975. Vol. 39. P. 411–416. 83. Heymans C. The part played by vascular presso- and chemoreceptors in respiratory control // Nobel Lectures—Physiology or Medicine (1922–1941), edited by Anonymous, Amsterdam: Elsevier, 1965. P. 460–481. 84. Hombien T.F., Griffo Z.J., Roos A. Quantification of chemoreceptor activity : interrelation of hypoxia and hypercapnia // Journal of Neurophysiology, 1961. Vol. 24. Р. 561-568. 85. Jacobi M. S., Patil C. P., Saunders K. B. Comparison of transient, steady state and rebreathing methods measuring the ventilatory response to carbon dioxide in man // Journal of Physiology, 1987. Vol. 394. 58 p. 86. Katayama K., Sato Y., Ishida K., Mori S. and Miyamura M. The effects of intermittent exposure to hypoxia during endurance exercise training on the ventilator responses to hypoxia and hypercapnia in humans // European Journal of Applied Physiology, 1998. Vol. 78. P. 189-194. 87. Katsaros B. Evidence for the existence of a respiratory drive of unknown origin conducted in the carotid sinus nerves // Arterial Chemoreceptors, edited by R. W. Torrance. Oxford, UK: Blackwell Scientific, 1968. P. 357–372. 88. Kaufman M. P., Forster H. V. Reflexes controlling circulatory, ventilatory, and airway responses to exercise // Handbook of Physiology. Exercise: Regulation and Integration of Multiple Systems. Bethesda, MD: Am. Physiol. Soc., 1996. Sect. 12. P. II. Ch. 10. P. 381–447. 89. Kety S.S., Schmidt C.F. The effects of altered arterial tension of carbon dioxide and oxygen in cerebral blood flow and cerebral oxygen consumption of normal men // Journal of Clinical Investigation, 1948. Vol. 27. Р. 484-492. 148 90. Koehler R.C., McDonald B.W., Krasney J.A. Influence of CO2 on cardiovascular response to hypoxia in conscious dogs // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 1980. Vol. 239. P. 545. 91. Lahiri S. Role of arterial O2 flow in peripheral chemoreceptor excitation // Federation Proc., 1980. Vol. 39. P. 2648–2652. 92. Lahiri S., Nishino T., Mokashi A., and Mulligan E. Relative responses of aortic body and carotid body chemoreceptors to hypotension // J. Appl. Physiol., 1980. Vol. 48. P. 781–788. 93. Lambertsen C. J., Hall P., Wollman H. and Goodman M. W. Quantitative interactions of increased Po2 and Pco2 upon respiration in man // Annals of the New York Academy of Sciences of the USA, 1963. Vol. 109. P. 731-742. 94. Lennert L. System Identification – Theory for the user // 2 ed., N.J.:PTR Prentice Hall, 1999. 95. Leuenberger U.A., Hogeman C.S., Quraishi S., Linton-Frazier L. and Gray K.S. Short-term intermittent hypoxia enhances sympathetic responses to continuous hypoxia in humans // J. Appl. Physiol., 2007. Vol. 103. P. 835-842. 96. Leuenberger U.A., Gray K, Herr M.D. Adenosine contributes to hypoxia-induced forearm vasodilation in humans // J. Appl. Physiol., 1999. Vol. 87. P. 2218–2224. 97. Lugliani R., Whipp B. J., Seard C. and Wasserman K. Effect of bilateral carotidbody resection on ventilatory control at rest and during exercise in man // N. Engl. J. Med., 1971. Vol. 275. P. 1105–1111. 98. Mahutte C.K., Rebuck A.S. Influence of rate of induction of hypoxia on the ventilatory response // J. Physiol. (Lond), 1978. Vol. 284. P. 219–227. 99. Mitchell R.A. Cerebrospinal fluid and the regulation of respiration // In: Advances in Respiratory Physiology, edited by C. G. Caro. Baltimore, MD: Williams &Wilkins, 1966. Р. 1–47. 100. Mitchell G.S, Johnson S.M. Neuroplasticity in respiratory motor control // J. Appl. Physiol., 2003. Vol. 94. P. 358–374. 101. Mohan R.A.M. Measuring the Respiratory Chemoreflexes in Man // Master’s thesis. Department of Physiology, University of Toronto, 1997. P. 20-25. 149 102. Mohan R. M., Amara C. E., Cunningham D. A. and Duffin J. Measuring centralchemoreflex sensitivity in man: rebreathing and steady-state methods compared // Respir. Physiol., 1999. Vol. 115. № 1. P. 23-33. 103. Mohan R., Duffin J. The effect of hypoxia on the ventilatory response to carbon dioxide in man // Respiration Physiology, 1997. Vol. 108, P. 101 – 115. 104. Nicogossian A. Overall physiological response to space flight // Space Physiology and Medicine, edited by Nicogossian A. Philadelphia, PA: Lea & Febiger, 1989. 105. Nielsen M., Smith H. Studies on the regulation of respiration in acute hypoxia // Acta. Physiol. Scand., 1952. Vol. 24. Р. 293-313. 106. Nishimura M., Suzuki A., Nishiura Y., Yamamoto H., Miyamoto K., Kishi F. and Kwakami Y. Effect of brain blood flow on hypoxic ventilatory response in humans // Journal of Applied Physiology, 1987. Vol. 63. P. 1100-1106. 107. Nunn J.F. Appendix F. The exponential Function // Nunn J.F. (Ed.). Applied Respiratory Physiology. Cambridge: Butterworths, 1967. P. 516-527. 108. O’Donnell D.E., Banzett R.B., Carrieri-Kohlman V., Casaburi R., Davenport P.W., Gandevia S.C., Gelb A.F., Mahler D.A. and Webb K.A. Pathophysiology of dyspnea in chronic obstructive pulmonary disease // Proc. Am. Thorac. Soc., 2007. Vol. 4. P. 145– 168. 109. Pan L.G., Forster H.V., Bisgard G.E., Kaminski R.P., Dorsey S.M. and Busch M.A. Hyperventilation in ponies at the onset of and during steady-state exercise // J. Appl. Physiol., 1983. Vol. 54. P. 1394–1402. 110. Pan L.G., Forster H.V., Martino P., Strecker P.J., Beales J., Serra A., Lowry T.F., Forster M.M. and Forster A.L. Important role of carotid afferents in control of breathing // J. Appl. Physiol. , 1998. Vol. 85. № 4. Р. 1299–1306. 111. Pavlov B.N., Grigoriev A.I., Smolin V.V., Komordin I.P., Sokolov G.M., Ramazanov P.S., Spirkov R.R., Soldatov P.E., Vdovin A.V., Buravkova L.B., Diachenko A.I. and Ilyin V.K. Investigations of different hyperoxic, hypoxic and normoxic oxygen–argon gaseous mixtures under different barometric pressure and respiration period // High Pressure Biology and Medicine, edited by Bennett P.B., 150 Demchenko I., Marquis R.E. Rochester: University of Rochester Press, 1997. P. 133– 142. 112. Peng Y.J., Overholt J.L., Kline D., Kumar G.K. and Prabhakar N.R. Induction of sensory long-term facilitation in the carotid body by intermittent hypoxia: implications for recurrent apneas // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 2003. P. 10073–10078. 113. Perkins J.F. The contribution of the peripheral respiratory chemoreceptors to pulmonary ventilation—a historical and experimental approach // Arterial Chemoreceptors, edited by R.W. Torrance. Oxford, UK: Blackwell Scientific, 1968. P. 335–356. 114. Philip N., Duffin A., Duffin J. Integration of cerebrovascular CO2 reactivity and chemoreflex control of breathing: mechanisms of regulation measurement and interpretation // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol., 2009. P. 1473-1495. 115. Prisk G.K., Guy H.J.B., Elliott A.R., Deutschman R.A. and West J.B. Pulmonary diffusing capacity, capillary blood volume, and cardiac output during sustained microgravity // J. Appl. Physiol., 1993. Vol. 75. Р. 15–26. 116. Prisk G.K., Elliott A.R., Guy H.J.B., Kosonen J.M. and West J.B. Pulmonary gas exchange and its determinants during sustained microgravity on Spacelabs SLS-1 and SLS-2 // J. Appl. Physiol., 1995. Vol. 79. P. 1290–1298. 117. Prisk G.K., Elliott A.R., West J.B. Sustained microgravity reduces the human ventilatory response to hypoxia but not to hypercapnia // J. Appl. Physiol., 2000. Vol. 88. P. 1421-1430. 118. Prisk G.K., Fine J.M., Cooper T.K. and West J.B. Vital capacity, respiratory muscle strength, and pulmonary gas exchange during long-duration exposure to microgravity // J. Appl. Physiol., 2006. Vol. № 2. Р. 439–447. 119. Ponten U., Siesjo B.K. Gradients of CO2 in the brain // Acta physiologica scandinavica, 1966. Vol. 67. Р. 129-140. 120. Powell F.L., Milsom W.K., Mitchell G.S. Time domains of the hypoxic ventilatory response // Respiration Physiology, 1998. Vol. 112. P. 123-134. 121. Rapanos T., Duffin J. The ventilatory response to hypoxia below the carbon dioxide threshold // Canadian Journal of Applied Physiology, 1997. Vol. 22. Р. 23-36. 151 122. Read D.J.C. A clinical method for assessing the ventilator response to carbon dioxide // Australasian Annals of Medicine, 1967. Vol. 16. P. 20-32. 123. Read D. J. C., Leigh J. Blood-brain tissue Pco2 relationships and ventilation during rebreathing // Journal of Applied Physiology, 1967. Vol. 23.P. 53-70. 124. Read D., Nickolls P., Hensley M. Instability of the carbon dioxide stimulus under the “mixed venous isocapnic” conditions advocated for testing the ventilatory response to hypoxia // Am. Rev. Respir. Dis., 1977. Vol. 116. P. 336–339. 125. Rebuck A.S., Campbell E.J.M. A clinical method for assessing the ventilatory response to hypoxia // Am. Rev. Respir. Dis., 1974.Vol. 109. P. 345–350. 126. Rebuck A. S., Slutsky A. S. Measurement of ventilatory responses to hypercapnia and hypoxia // In Regulation of Breathing, part II, ed. Hornbein T. F., New York: Marcel Dekker. Inc., 1981. P. 745-772. 127. Richardson D.W., Kontos H.A., Raper A.J. and Patterson J.L.Jr. Modification by beta-adrenergic blockade of the circulatory responses to acute hypoxia in man // J. Clin. Invest., 1967. Vol. 46. P. 77–85. 128. Serebrovskaya T.V., Karaban I.N., Kolesnikova E.E., Mishunina T.M., Kuzminskaya L.A., Serebrovsky A.N. and Swanson R.J. Human hypoxic ventilatory response with blood dopamine content under intermittent hypoxic training // Canadian Journal of Physiology and Pharmacology, 1999. Vol. 77. P. 967-973. 129. Schlaefke M.E., Kelle J.F., Loeschcke H.H. Elimination of central chemosensitivity by coagulation of a bilateral area on the ventral medullary surface in awake cats // Pflugers Arch., 1979. Vol. 378. Р. 231–234. 130. Schlaefke M. E., See W.R., Herker-See A. and Loeschcke H.H. Respiratory response to hypoxia and hypercapnia after elimination of central chemosensitivity // Pflugers Arch., 1979. Vol. 381. № 3. Р.241-248. 131. Steinback C.D., Poulin M.J. Ventilatory responses to isocapnic and poikilocapnic hypoxia in humans // Respir. Physiol. Neurobiol., 2007. Vol. 155. Р. 104–113. 132. Somers V. K., Mark A.L. and Abboud F.M. Interaction of baroreceptor and chemoreceptor reflex control of sympathetic nerve activity in normal humans // J. Clin. Invest., 1991. Vol. 87. P. 1953–1957. 152 133. Spencer J.L., Firouztale E., Mellins R.B. Computational expressions for blood oxygen an carbone dioxide concentrations.// Ann. Biomed. Eng., 1979. Vol. 7. P. 59– 66. 134. Trudell J.R., Koblin D.D., Eger E.I. A molecular description of how noble gases and nitrogen bind to a model site of anesthetic action // Anesth. Analg., 1998. Vol. 87. P. 411–418. 135. Turner D.L., Mitchell G.S. Long-term facilitation of ventilation following repeated hypoxic episodes in awake goats // Journal of Physiology, 1997. Vol. 499. P. 543-550. 136. Weil J.V., Byrne-Quinn E., Sodal I.E., Friesen W.O., Underhill B., Filley G.F. and Grover R.F. Hypoxic ventilatory drive in normal man // The Journal of Clinical Investigation, 1970. Vol. 49. Р. 1061-1072. 137. Whitelaw W.A., Derenne J.P., Milic-Emili J. Occlusion pressure as a measure of respiratory center output in conscious man // Respir. Physiol., 1975. Vol. 23. P. 181– 199. 138. Xie P.L., McDowell T.S., Chapleau M.W., Hajduczok G., Abboud F.M. Rapid baroreceptor resetting in chronic hypertension. Implications for normalization of arterial pressure // Hypertension, 1991. Vol. 17. P. 72–79. 139. Xie A., Takasaki Y., Popkin J., Orr D. and Bradley T.D. Influence of body position on pressure and airflow generation during hypoxia and hypercapnia in man // J. Physiol. (Lond) , 1993. Vol. 465. P. 477–488. 153 ПРИЛОЖЕНИЕ 154 1. Статистическая достоверность В связи с малым объемом выборок статистическую значимость различий между сериями рассчитывали с применением критериев Стьюдента и Вилкоксона для зависимых выборок. Первоначально результаты исследования вентиляционной реакции при различных положениях тела тестировались на отклонение от нормальности распределения, результаты представлены в таблице 1. Существенного отличия от нормальности для большинства распределений нет. Таблица 1 – Тест на нормальность распределения. ВД1 – возвратное дыхание с гипоксической стимуляцией в вертикальном положении тела; ВД2 – возвратное дыхание с гипоксической стимуляцией в положении АНОП; ВД3 – возвратное дыхание с гипероксической ДГС в вертикальном положении тела; ВД4 – возвратное дыхание с гипероксической ДГС в положении АНОП Колмогоров – Смирнова Шапиро Уилк Степень Уровень Степень Уровень Статистика Статистика свободы значимости свободы значимости ВД1 SVT 0.147 6 0.200* 0.986 6 0.977 0.390 6 0.616 6 Pvt 0.005 0.001 SV 0.206 6 0.200* 0.926 6 0.550 PVT0 0.329 6 0.041 0.816 6 0.082 SFr 0.137 6 0.200* 0.978 6 0.941 PFr0 0.211 6 0.200* 0.972 6 0.904 ВД2 SVT 0.262 6 0.200* 0.865 6 0.208 Pvt 0.239 6 0.200* 0.911 6 0.443 SV 0.193 6 0.200* 0.958 6 0.806 PVT0 0.289 6 0.128 0.918 6 0.488 SFr 0.197 6 0.200* 0.956 6 0.791 PFr0 0.293 6 0.116 0.867 6 0.214 ВД3 SVT 0.196 6 0.200* 0.951 6 0.752 0.476 6 0.530 6 Pvt 0.000 0.000 SV 0.219 6 0.200* 0.858 6 0.183 PVT0 0.179 6 0.200* 0.931 6 0.590 0.366 6 0.781 6 SFr 0.012 0.040 PFr0 0.170 6 0.200* 0.951 6 0.752 ВД4 SVT 0.171 6 0.200* 0.949 6 0.729 Pvt 0.310 6 0.073 0.881 6 0.272 0.413 6 0.733 6 SV 0.002 0.014 PVT0 0.270 6 0.196 0.821 6 0.090 SFr 0.182 6 0.200* 0.927 6 0.556 0.362 6 0.686 6 PFr0 0.014 0.004 а - Поправка Лиллиефорса * - Нижняя граница реальной значимости 155 С помощью критерия Фридмана для сопоставления 4 условий измерения (ВД1, ВД2, ВД3, ВД4) для 6 испытуемых с ранжированием по индивидуальным значения измерений, было обнаружено, что изменения в разных условиях имеют не случайный характер (табл. 2). Таблица 2 – Применение критерия Фридмана Vt 6 13.6 3 0.004* Количество испытуемых Критерий χ2 Число степеней свободы Уровень значимости р 6 13.4 3 0.004* Таким образом, применение t-критерия Стьюдента в большинстве случаев применим. Достоверность результатов представлена в таблице 3. Таблица 3 – Уровень значимости различий между сериями, рассчитанный с применением критерия Стьюдента ВД1 PV0\SV ВД2 ВД3 ВД4 ВД1 ВД1 ВД2 ВД3 ВД4 *Статистически значимые результаты 0.06 0.06 0.001* 0.21 0.01* 0.44 0.01* 0.02* 0.72 0.107 0.09 0.06 - 0.002* 0.04* 0.02* PVT0\SVT ВД2 ВД3 ВД4 ВД1 0.01* 0.002* 0.23 0.03* 0.35 0.06 - 0.95 0.39 0.60 0.01* 0.002* 0.03* PFr0\SFr ВД2 ВД3 0.09 0.40 0.26 0.13 0.66 0.36 ВД4 0.06 0.36 0.21 - Однако в связи малым объемом выборок допущение о нормальности распределения может быть опровергнуто, поэтому применим также не параметрический метод оценки достоверности. Сравнение между сериями с применением критерия T- Вилкоксона для зависимых выборок представлено в таблице 4. Таблица 4 – Уровень значимости различий между сериями, рассчитанный с применением критерия T-Вилкоксона ВД1 PV0\SV ВД2 ВД3 ВД4 ВД1 ВД1 ВД2 ВД3 ВД4 *Статистически значимые результаты 0.08 0.05* 0.75 0.35 0.03* 0.3 0.03* 0.03* 0.35 0.09 0.12 0.03* - 0.03* 0.07 0.17 PVT0\SVT ВД2 ВД3 ВД4 ВД1 0.03* 0.03* 0.03* 0.34 0.05* 0.08 - 0.92 0.35 0.25 0.03* 0.03* 0.05* PFr0\SFr ВД2 ВД3 0.12 0.46 0.75 0.17 0.75 0.46 ВД4 0.35 0.08 0.35 - 156 Первоначально результаты исследования вентиляционной реакции в условиях «сухой» иммерсии были протестированы на отклонение от нормальности их распределения, соответствующие результаты представлены в таблице 5. Существенного отличия от нормальности для большинства распределений нет. Таблица 5 – Тест на нормальность распределения. ВД Ф – возвратное дыхание, фоновое измерение; ВД1Ч – возвратное дыхание в 1 час нахождения в ванне; ВД3Д – возвратное дыхание на 3 день нахождения в ванной; ВДПД – возвратное дыхание последействие Колмогоров – Смирнова Шапиро Уилк Степень Уровень Степень Уровень Статистика Статистика свободы значимости свободы значимости ВДФ SVT 0.212 11 0.180 0.856 11 0.051 Pvt 0.132 11 0.200* 0.967 11 0.859 SV 0.222 11 0.134 0.856 11 0.052 PVT0 0.174 11 0.200* 0.968 11 0.861 SFr 0.239 11 0.079 0.786 11 0.006 PFr0 0.227 11 0.117 0.887 11 0.126 ВД1Ч SVT 0.104 11 0.200* 0.980 11 0.968 Pvt 0.153 11 0.200* 0.953 11 0.678 SV 0.132 11 0.200* 0.967 11 0.859 PVT0 0.218 11 0.152 0.928 11 0.395 SFr 0.153 11 0.200* 0.953 11 0.678 PFr0 0.178 11 0.200* 0.905 11 0.213 ВД3Д SVT 0.266 11 0.028 0.897 11 0.172 Pvt 0.189 11 0.200* 0.938 11 0.495 SV 0.143 11 0.200* 0.915 11 0.275 PVT0 0.227 11 0.117 0.887 11 0.126 SFr 0.193 11 0.200* 0.895 11 0.159 PFr0 0.212 11 0.180 0.856 11 0.051 ВДПД SVT 0.290 11 0.797 11 0.010 0.009 Pvt 0.143 11 0.200* 0.915 11 0.275 SV 0.189 11 0.200* 0.938 11 0.495 PVT0 0.215 11 0.164 0.853 11 0.046 SFr 0.178 11 0.200* 0.905 11 0.213 PFr0 0.227 11 0.117 0.887 11 0.126 а - Поправка Лиллиефорса * - Нижняя граница реальной значимости 157 С применением критерия Фридмана для сопоставления 4 условий измерения (фон, 1 час в ванне, 3 день в ванне и последействие) для 11 испытуемых с ранжированием по индивидуальным значения измерений, было обнаружено, что изменения в разных условиях имеют не случайный характер (табл. 6). Таблица 6 – Применение критерия Фридмана SVT 11 12.055 3 0.007* Количество испытуемых Критерий χ2 Число степеней свободы Уровень значимости р SV 11 12.055 3 0.007* Таким образом, применение t-критерия Стьюдента в большинстве случаев применим. Достоверность результатов представлена в таблице 7. Таблица 7 – Уровень значимости различий между сериями, рассчитанный с применением критерия Стьюдента PV0\SV ВД1Ч ВД3Д ВДПД ВДФ ВДФ 0.06 0.29 0.57 ВДФ 0.12 0.12 0.01* ВД1Ч 0.05* 0.17 0.64 0.17 0.01* ВД3Д 0.05* ВДПД 0.16 0.01* 0.01* *Статистически значимые результаты PVT0\SVT ВД1Ч ВД3Д ВДПД ВДФ 0.04* 0.24 0.7 0.01* 0.71 0.05* 0.89 0.06 0.01* - 0.17 0.16 0.59 PFr0\SFr ВД1Ч ВД3Д ВДПД 0.59 0.17 0.44 0.44 0.24 0.12 0.02* 0.15 0.07 - Однако в связи малым объемом выборок допущение о нормальности распределения может быть опровергнуто, при этом объем выборки позволяет поэтому применение достоверности. не Сравнение параметрического между сериями с теста Вилкоксона применением оценки критерия Вилкоксона для зависимых выборок представлено в таблице 8. Таблица 8 – Уровень значимости различий между сериями, рассчитанный с применением критерия T- Вилкоксона PV0\SV ВД1Ч ВД3Д ВДПД ВДФ PVT0\SVT ВД1Ч ВД3Д ВДФ ВДПД ВДФ 0.06 0.37 0.43 0.03* 0.004* 0.86 ВДФ 0.08 0.59 0.06 0.23 0.02* 0.06 ВД1Ч 0.05* 0.2 0.65 0.2 0.21 0.65 0.03* 0.02* ВД3Д 0.81 0.05* 0.65 0.05* ВДПД 0.2 0.02* 0.01* *Статистически значимые результаты PFr0\SFr ВД1Ч ВД3Д ВДПД 0.48 0.2 0.2 0.25 0.13 0.25 0.03* 0.14 0.05* - T- 158 В исследовании влияния измененной дыхательной газовой смеси на вентиляционную реакцию респираторной системы человека статистическую значимость различий между сериями рассчитывали в несколько этапов. В виду малого объема выборки проверка нормальности распределения затруднительна. Первоначально было исследовано на исследуемых признаков при исследовании нормальность распределение вентиляционной реакции на гиперкапнию, сочетанную с гипоксической стимуляцией во всех фоновых тестах с возвратным дыханием. В соответствии с таблицей 9, существенного отличия от нормальности для распределения значений каждого из признаков не обнаружено. Таблица 9 – Тест на нормальность распределения Колмогоров – Смирнова Шапиро Уилк Степень Уровень Степень Уровень Статистика Статистика свободы значимости свободы значимости SVT 0.116 24 0.200* 0.963 24 0.495 SV 0.164 24 0.092 0.962 24 0.479 * SFr 0.107 24 0.200 0.931 24 0.105 а - Поправка Лиллиефорса * - Нижняя граница реальной значимости Затем были исследовано на отклонение от нормальности распределения выборок малого объема рассматриваемые в данном конкретном эксперименте. Поскольку выборка слишком мала для применения теста Колмогорова-Смирнова, приминался тест Шапиро-Уилка, результаты которого внесены в таблицу 10. В соответствии с таблицей 10, существенного отличия от нормальности для распределения значений каждого из признаков не обнаружено, кроме распределения значений парциального давления СО2 при нулевом значении дыхательного объема. Таким образом, применение t-критерия Стьюдента в данном случае не запрещено. Требование нормальности распределения данных является необходимым для точного t-теста. Тем не менее, даже при других распределениях данных возможно использование t-статистики. Во многих случаях эта статистика асимптотически имеет стандартное нормальное распределение, поэтому можно использовать квантили этого распределения [Boneau, 1960]. 159 Таблица 10 – Тест на нормальность распределения Колмогоров – Смирнова Шапиро Уилк Степень Уровень Степень Уровень Статистика Статистика свободы значимости свободы значимости SVT 0.241 8 0.191 0.87 8 0.150 Pvt 0.340 8 0.007 0.655 8 0.001 Фон SV 0.243 8 0.183 0.842 8 0.080 PVT0 0.234 8 0.200* 0.904 8 0.314 SVT 0.262 4 0.898 4 0.423 Pvt 0.247 4 0.917 4 0.522 Ar SV 0.292 4 0.844 4 0.207 PVT0 0.317 4 0.908 4 0.472 SVT 0.342 4 0.778 4 0.068 Pvt 0.188 4 0.980 4 0.904 N2 SV 0.245 4 0.923 4 0.553 PVT0 0.280 4 0.940 4 0.655 а - Поправка Лиллиефорса * - Нижняя граница реальной значимости Самым чувствительным аналогом критерия t-Стьюдента для зависимых выборок является критерий T- Вилкоксона. Результаты применения данного критерия представлены в таблице 11. Однако для применения этого критерия существует ограничение – объем выборки должен быть больше 5, этим можно объяснить полученное предельное значение уровня значимости равное 0.06, а значит, обнаружены устойчивые тенденции по увеличению реакции на гиперкапнию в соответствующих тестах. Таким образом, применение t-критерия Стьюдента в данном случае более оправдано, результаты представлены в основном тексте диссертации (табл. 9, 11). Для сравнения результатов между сериями c дыханием различными ДГС использовался U-критерий Манна – Уитни, так при этом сравниваются выборки с различными испытуемыми. Таблица 11 – Уровень значимости различий между сериями, рассчитанный с применением критериев T- Вилкоксона и U-критерия Манна – Уитни. Ar1 и N2 1 – фоновые измерения, Ar2 и N2 2 – тесты с возвратным дыханием после воздействия PV0\SV Ar 2 N2 1 Ar 1 N2 2 Ar 1 0.72 1 0.25 Ar 1 0.14 0.39 0.69 0.06 Ar 2 0.77 0.56 1 0.06 N2 1 0.25 0.69 0.06 0.04* N2 2 *Статистически значимые результаты PVT0\SVT Ar 2 N2 1 N2 2 Ar 1 0.25 0.25 0.14 0.25 1 0.06 - 1 0.39 0.39 0.06 0.56 0.89 PFr0\SFr Ar 2 N2 1 0.46 0.39 0.2 0.77 0.56 0.72 N2 2 0.25 0.11 0.06 - 160 2. Блок-схема программы Рисунок 1 – Частичная блок-схема математической модели в среде Simulink. Уравнения баланса описывающие дыхательный контур Рисунок 2 – Частичная блок-схема математической модели в среде Simulink. Уравнения описывающие суммарный приток и отток газа через воздухоносные пути 161 Рисунок 3 – Частичная блок-схема математической модели в среде Simulink. Уравнения, описывающие зависимость фракционной концентрации газа в крови от его парциального давления Рисунок 4 – Частичная блок-схема математической модели в среде Simulink. Модифицированные соотношения Хилла 162 Рисунок 5 – Частичная блок-схема математической модели в среде Simulink. Уравнения, описывающие дыхательный паттерн 3. Таблица чувствительности параметров математической модели Входные параметры модели, чувствительность респираторной системы: описывающие В вентиляционную = 8 л/мин, л/мин/мм рт.ст., ТС = 39 мм рт.ст., ТР. = 44 мм рт.ст., А=15.1 л/мин, С = 32 мм рт.ст. Параметры, описывающие дыхание в покое: Fr0 = 6, Faо2 = 0.143, Faсо2 =0.0561. Начальные значения параметров модели, описывающих динамику газового состава в системе: МLо2 = 0.336 л, МLсо2 = 0.426 л, МТо2 = 0.603 л, МТсо2 = 6.415 л, Pvо2 = 30.91 мм рт.ст., Pvсо2 = 48.47, FBо2 = 0.2095, FBсо2 = 0.0003. Таблица 12 отображает чувствительность параметров математической модели биотехнической системы, включающей кардиореспираторную систему человека и АПК для исследования вентиляционной реакции с помощью теста с возвратным дыханием. Таблица 12 – Таблица чувствительности параметров математической модели В A ТР ТС FBо2 FBсо2 VB S*co2 -2.66 +0.37 +2.72 -2.74 -6.24 +3.44 +1.18 -1.14 -0.32 -4.53 -24.47 +34.17 +0.01 -0.01 -5.53 +6.87 (Pao2=60) +1.26 -1.28 +3.07 -1.01 -3.19 +3.04 +2.84 -3.59 -10.12 +9.26 +9.76 -9.94 +0.00 -0.00 +4.69 -5.68 (Pao2=60) +0.04 -0.04 +0.03 -0.03 -1.10 +0.08 +5.08 -6.04 -17.37 +16.25 +12.94 -13.16 +0.01 -0.01 +6.20 -7.50 Paco2(Pao2=60) +0.17 -0.16 +0.02 -0.03 -0.23 +0.23 +0.11 -0.16 +0.99 -0.94 +3.45 -3.70 +0.04 -0.04 +0.61 -0.70 T(Pao2=60) +0.04 -0.03 +0.02 -0.02 -0.93 +0.07 +0.07 -0.93 -2.00 +1.05 +11.00 -11.19 +0.01 -0.01 +5.27 -6.26 T*co2 -0.338 +0.139 -0.519 +0.334 0.85 -1.05 -0.55 +0.34 +1.23 -1.64 +3.95 -4.36 -0.09 -0.10 +4.11 -4.38 Оценивалась чувствительность параметров S*co2 – вентиляционная реакция на гиперкапнию, сочетанную гипоксией; (Pao2=60) – общая вентиляция при Pao2 равном 60 мм рт.ст.; (Pao2=60) – вентиляция, обусловленная центральным хеморефлексом, при Pao2 равном 60 мм рт.ст.; Paco2(Pao2=60) – напряжение СО2 в артериальной крови при Pao2 равном 60 мм рт.ст., T(Pao2=60) – время достижения напряжения О2 в артериальной крови до уровня 60 мм рт.ст., T*co2 –время выравнивания содержания СО2 в системе к изменению на ±5% следующих 164 входных параметров модели В – базальная вентиляция; A – форму кривой гипоксической реакции на снижение РЕТо2; ТР – порог периферического хеморефлекса; - вентиляционная реакция на гиперкапнию при ВД гипероксической ДГС (при отключении периферического хеморефлекса); ТС – порог центрального хеморефлекса; FBо2 – начальная концентрация О2 в дыхательном контуре; FBсо2 – начальная концентрация СО2 в дыхательном контуре; VB – объем дыхательного контура АПК. Вследствие низкой чувствительности параметров к изменениям параметра FBо2 на ±5%, в таблице представлена чувствительность к изменению входного параметра на ±50%. 4. Результаты математического моделирования Таблица 13 - Регрессионная статистика результатов гипероксического теста одного из испытуемых в вертикальном положении тела Интервал РETco2 анализируемых данных 40-50 50-60 FR FR a b (26.51)±11.21 0.94±0.24 (3.72) ±3.85 0.24±0.08 (96.69)±10.81 2.42±0.19 (29.62)±3.72 0.79±0.06 rxy 0.79 0.68 0.95 0.94 0.62 0.47 0.89 0.89 63.3 2.35 5.54 0.12 (4.79) 34 0.81 1.90 0.04 (1.96) 634 2.49 5.42 0.09 (17.83) 7.96 5.84 25.18 570 0.86 1.87 0.03 (-15.86) 23.88 F Sост ma mb ta tb Описание Параметры корреляции Коэффициент корреляции Коэфициент детерминации F-критерия Фишера Стандартная ошибка: Стандартные ошибки для параметров регрессии: Фактические значения tкритерия Стьюдента Таблица 14 - Регрессионная статистика результатов гипоксического теста одного из испытуемых в вертикальном положении тела Интервал РETco2 анализируемых данных 40-50 50-60 FR Описание FR a b (9.23)±12.06 0.51±0.26 5.66±2.84 0.03±0.06 (158.3)±12.27 3.52±0.22 (52.03)±4.41 1.19±0.08 rxy 0.63 0.20 0.98 0.87 0.39 0.04 0.96 0.95 15.71 1.95 5.84 0.13 (1.58) 1.01 0.46 1.37 0.03 4.12 1012 2.16 6.09 0.11 (25.95) 3.96 1.01 31.08 892 0.77 2.19 0.04 (23.73) 29.87 F Sост ma mb ta tb Параметры корреляции Коэффициент корреляции Коэфициент детерминации F-критерия Фишера Стандартная ошибка: Стандартные ошибки для параметров регрессии: Фактические значения tкритерия Стьюдента Таблица 15 - Объемные легочные характеристики испытуемого, измеренные с помощью системы для исследования функции внешнего дыхания MasterScreen PFT E.Jaeger Обозначение RV, л TLC, л ERV, л IRV, л VT, л FRC, л Значение 1.77±0.24 6.79±0.24 2.63±0.01 1.43±0.05 1.52±0.17 4.39±0.24 Описание Остаточная емкость Полный объем легких Резервный объем выдоха Резервный объем вдоха Дыхательный объем Функциональная остаточная емкость 166 Рисунок 6 – Динамика напряжения кислорода во времени при дыхании покоя в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления кислорода в дыхательном контуре (зеленая кривая) Рисунок 7 – Динамика дыхательного потока на протяжении при дыхании в покое 167 Рисунок 8 – Динамика напряжения кислорода во время маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления кислорода в дыхательном контуре (зеленая кривая) Рисунок 9 – Динамика дыхательного потока на протяжении при дыхании в покое 168 Рисунок 10 – Изменение напряжения кислорода во времени при возвратном дыхании гипероксической смесью в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления кислорода в дыхательном контуре (зеленая кривая) Рисунок 11 – Вентиляционная реакция на нарастающую гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической ДГС во времени, сопоставимая результатам соответствующего эксперимента 169 Рисунок 12 – Изменение концентрации углекислого газа во времени при возвратном дыхании гипероксической смесью в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови Рисунок 13 – Изменение напряжения углекислого газа во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления углекислого газа в дыхательном контуре (зеленая кривая) 170 Рисунок 14 – Вентиляционная реакция на нарастающую гиперкапнию при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией во времени, сопоставляемая с результатами соответствующего эксперимента Рисунок 15 – Изменение концентрации кислорода во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови 171 Рисунок 16 – Изменение напряжения углекислого газа во времени при возвратном дыхании гипероксической ДГС в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления углекислого газа в дыхательном контуре (зеленая кривая) Рисунок 17 – Изменение напряжения кислорода во времени при возвратном дыхании гипероксической ДГС в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови и парциального давления кислорода в дыхательном контуре (зеленая кривая) 172 Рисунок 18 – Изменение концентрации углекислого газа во времени при возвратном дыхании гипероксической ДГС в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови Рисунок 19 – Изменение концентрации кислорода во времени при возвратном дыхании гипероксической ДГС в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови 173 Рисунок 20 – Вентиляционная реакция на нарастающую гиперкапнию во времени при возвратном дыхании гипоксической ДГС в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции, сопоставимая результатам соответствующего эксперимента Рисунок 21 – Изменение концентрации углекислого газа во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови 174 Рисунок 22 – Изменение концентрации кислорода во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции в артериальной (красная кривая), венозной (синяя кривая) крови Рисунок 23 – Вентиляционная реакция на нарастающую гиперкапнию во времени при возвратном дыхании с нарастающей гипоксией в контуре объемом 20 л без предварительного маневра гипервентиляции, сопоставимая результатам соответствующего эксперимента 175 Рисунок 24 – Выравнивание содержания кислорода между венозной и артериальной кровью С при начальной концентрации в дыхательном контре равном 0.03% (синий), 3% (красный), 7% (зеленый) и соответствующем Р ЕТсо2 человека при дыхании в покое (голубой) Рисунок 25 – Выравнивание содержания углекислого газа между альвеолярным пространством и дыхательным контуром Δ со и между венозной и артериальной кровью ΔС при начальной концентрации в дыхательном контре равном 0.03% (1,2) и соответствующем РЕТсо2 человека при дыхании в покое (3,4) при соответствующих начальной концентрации кислорода 45% (зеленая), 61% (синяя), 75% (красная) 176 Рисунок 26 – Выравнивание содержания углекислого газа между альвеолярным пространством и дыхательным контуром Δ со и между венозной и артериальной кровью ΔС при начальной концентрации в дыхательном контре равном 0.03% (1,2) и соответствующем РЕТсо2 человека при дыхании в покое (3,4) при соответствующих объемах дыхательного контура 10 л (зеленая), 15 л (синяя), 20 л (красная) 177 Рисунок 27 – Выравнивание содержания кислорода между альвеолярным пространством и дыхательным контуром Δ со и между венозной и артериальной кровью ΔС при начальной концентрации в дыхательном контре равном 0.03% (1,2) и соответствующем РЕТсо2 человека при дыхании в покое (3,4) при соответствующих объемах дыхательного контура 10 л (зеленая), 15 л (синяя), 20 л (красная) 178 Рисунок 28 – Выравнивание содержания углекислого газа (1, 2) и кислорода (3, 4) между альвеолярным пространством и дыхательным контуром Δ со и между венозной и артериальной кровью ΔС при начальной концентрации в дыхательном контре равном 0.03% при условии нарастающей гипоксии в контуре объемом 10 л (синий) и 20 л (зеленый) и в условиях гипероксии в контуре объемом 20 л (красная) 179 Рисунок 29 – Выравнивание содержания углекислого газа (1, 2) и кислорода (3, 4) между альвеолярным пространством и дыхательным контуром Δ со и между венозной и артериальной кровью ΔС при начальной концентрации в дыхательном контре равном 5.61% (соответствующем РЕТсо2 человека при дыхании в покое) при условии нарастающей гипоксии в контуре объемом 10 л (синий) и 20 л (зеленый) и в условиях гипероксии в контуре объемом 20 л (красная)
