Информационно-аналитическое обеспечение мониторинга состояния периферической гемодинамики в системе «Человек - короткорадиусная центрифуга»

УДК 519.876.5

В. А. Акулов, В. И. Батищев, И. В. Макаров, В. М. Мякишев, А. С. Видманов

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ ГЕМОДИНАМИКИ В СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК -КОРОТКОРАДИУСНАЯ ЦЕНТРИФУГА»

V. A. Akulov, V. I. Batishchev, I. V. Makarov, V. M. Myakishev, A. S. Vidmanov

PROBLEMS OF INFORMATIONAL AND ANALYTICAL SUPPORT FOR SYSTEMS «MAN - SHORT RADIUS CENTRIFUGE»

Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования являются системы мониторинга состояний человека, находящегося в среде с искусственной силой тяжести, создаваемой центрифугами короткого радиуса. Предметом исследования является создание проблемно-ориентированной информационно-аналитической системы. Целью исследования является разработка концепции системы мониторинга, ее аппаратная реализация и экспериментальная проверка эффективности при решении актуальных задач пилотируемой космонавтики и восстановительной медицины. Материалы и методы. В качестве основных методов применены системный анализ сложной системы класса «человек - центрифуга короткого радиуса», теория принятия решений, планирование экспериментов, статистическая обработка данных и построение эмпирических моделей. Результаты. Разработана концепция системы мониторинга, учитывающая условия эксплуатации оборудования во вращающейся среде, предусматривающая двухблочную схему исполнения. Основной блок выполняется в виде быстросъемного контейнера, размещаемого на центрифуге и содержащего измерительную и регистрирующую аппаратуру. Второй блок представляет собой портативный радиопередатчик, служащий устройством управления. Проведена опытная эксплуатация системы на реальной информации. Выводы. Разработана концепция и выполнена аппаратная реализация многоканальной системы мониторинга артериального давления пациентов, находящихся в сеансах вращения на центрифугах короткого радиуса. Выполнена апробация системы в условиях крупного медицинского учреждения, показавшая ее высокую эффективность при решении задач, актуальных для космической и восстановительной медицины. Установлена зависимость артериального давления в периферической системе кровообращения от интенсивности гравитационной нагрузки, представляющая значительный интерес для специалистов, занимающихся отбором и тренировкой экипажей, врачей, конструкторов перспективных космических аппаратов и центрифуг. Намечены направления дальнейших исследований.

Abstract. Background. The object of study is the human condition monitoring system, located in an environment with artificial gravity produced by a short radius centrifuges. The subject of the study is to create a problem-oriented information analysis system. The aim of the study is to develop a monitoring system concept, its hardware implementation and experimental verification of effectiveness in solving urgent problems of manned space flight, and regenerative medicine. Materials and methods. The main methods of applied system analysis of a complex system of class «people - short-radius centrifuge,» the theory of decision-making, de-

sign of experiments, statistical processing of data and the construction of empirical models. Results. A monitoring system concept, which takes into account the operating conditions of the equipment in a rotating medium, providing for a two-gang enforcement scheme. The main unit is designed as a quick-container, placed in a centrifuge and comprising measuring and recording equipment. The second unit is a portable radio transmitter serving controller. Spend an experienced operating system on real information. Conclusions. The concept and made hardware implementation of a multi-channel system for monitoring blood pressure patients in sessions of rotation on a short radius centrifuges. It completed testing of the system in a large medical institution, which showed its high efficiency in solving problems relevant to space and regenerative medicine. Established the dependence of blood pressure in the peripheral circulatory system, the intensity of the gravity load is of considerable interest to professionals involved in the selection and training of crews, doctors, designers looking spacecraft and centrifuges. Outlined directions for further research.

Ключевые слова: пилотируемая космонавтика, восстановительная медицина, дистанционный мониторинг, короткорадиусная центрифуга, гравитационная нагрузка, периферическая система кровообращения, закономерности отклика артериального давления.

K e y words: manned space flight, short radius centrifuge, gravity load, peripheral circulatory system, remote monitoring, the blood pressure response patterns.

Введение

В перспективных программах освоения Космоса предусматриваются межпланетные экспедиции [1-4]. Такие экспедиции представляют собой качественно новый этап пилотируемой космонавтики, что обусловлено появлением ряда новых факторов и, в первую очередь, длительным пребыванием экипажа в условиях пониженной гравитации с многократно возросшим, по сравнению с существующей практикой, количеством выходов в открытый Космос с использованием скафандра.

Как известно, гравитация оказывает активное влияние на физиологические показатели человека. Прежде всего она выполняет функции бустерного насоса, создающего гидростатическое давление в нижних конечностях, соизмеримое по уровню с системным артериальным давлением [1, 5-7]. Важность гравитации доказывает многолетний опыт пилотируемой космонавтики, согласно которому отсутствие гравитации (невесомость) оказывает крайне негативное воздействие на организм человека и требует компенсации. В настоящее время при выполнении орбитальных полетов применяются исключительно косвенные методы противодействия невесомости. Однако они могут оказаться недостаточными при межпланетных экспедициях, учитывая сочетание невесомости и близкой к ней гипогравитации Луны и Марса, а также длительность экспедиций [1, 2, 8].

Динамическая система «человек - короткорадиусная центрифуга»

В качестве радикальной меры, решающей «гравитационные» проблемы, российские и иностранные специалисты предлагают использование искусственной силы тяжести, создаваемой короткорадиусными центрифугами (ЦКР). Немаловажным доводом в пользу ЦКР является возможность их установки на перспективных космических аппаратах (КА) [1-4, 8]. В этом случае ЦКР становится и динамическим тренажером, и аппаратным средством для научных исследований, причем как наземного, так и, что особенно важно, космического применения.

Если рассматривать ЦКР как перспективное бортовое устройство, то наряду с «земными» возникают сугубо «бортовые» задачи, обусловленные междисциплинарностью предметной области и спецификой КА (массовые характеристики, габариты, энергопотребление, пространственная ориентация). К числу таких задач относится определение нижней границы частоты вращения ротора ЦКР исходя из достижения медицинских эффектов. Очевидно, что чем выше граница и продолжительность сеанса вращения, тем в большей степени закручива-

ется КА, что требует дополнительных энергозатрат на восстановление ориентации. Кроме того, с ростом частоты вращения растет мощность привода, а вместе с ней - его масса и энергопотребление.

Обобщая изложенное, заключаем, что для осуществления перспективных программ пилотируемой космонавтики необходимы широкомасштабные исследования сложной динамической системы класса «человек - ЦКР» (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. ЦКР для создания управляемой ИСТ в направлении «голова - ноги»: а - сеанс вращения; б - подготовка к сеансу (колпак кабины пациента открыт);

1 - ротор - горизонтальный стол; 2 - кабина пациента; 3 - пациент в позе «лежа»; 4 - ось вращения;

Пациент располагается на ЦКР горизонтально, лежа на спине, а его нижние конечности направляются радиально к периферии. При надлежащем выборе интенсивности воздействия, прежде всего частоты вращения ротора, происходит имитация естественной силы тяжести, включая гипогравитацию планет, действующей в направлении «голова - ноги» [1, 2, 5, 6, 8].

Кроме пилотируемой космонавтики, система «человек - ЦКР» применяется в гравитационной терапии (ГТ). Под ГТ понимаются физиотерапевтические процедуры, заключающиеся в воздействии на организм человека управляемым центробежным ускорением. ГТ успешно применяется в Самарском государственном медицинском университете для профилактики и лечения широкой номенклатуры заболеваний опорно-двигательного аппарата, прежде всего ишемий [9, 10].

Поскольку речь идет о широкомасштабных исследованиях состояния человека, особую значимость приобретает проблема оснащения нового поколения ЦКР современной информационно-аналитической системой. Следует отметить, что такого рода задачи успешно решаются в медицинских учреждениях в массовом порядке с применением триады вида «врач» - «аппаратура» - «пациент». Что касается ЦКР, то, во-первых, триада распадается, и, во-вторых, ни стационарная, ни портативная аппаратура, выпускаемая промышленностью, не рассчитана на эксплуатацию в интенсивно вращающейся среде. В результате сложившейся ситуации особую актуальность приобретает проблема разработки и применения новых методологических схем оценки состояний человека в среде с искусственной силой тяжести, основу которых составляет управляемый мониторинг периферической системы кровообращения.

Методология экспериментов

В табл. 1 представлен перечень из десяти процедур, составляющих основу разработанной авторами методологии имитационных экспериментов.

Таблица 1

Методологические основы имитационных экспериментов

1. Разработка технологической схемы экспериментов 6. Получение экспериментальной зависимости среднего артериального давления от частоты вращения ротора ЦКР

2. Формулировка требований к системе мониторинга 7. Эксперименты выполняются на ЦКР с привлечением здоровых добровольцев. Диапазон частот вращения 0-30 об/мин

3. Выбор компонентов системы мониторинга 8. Оценка состояния периферической системы кровообращения осуществляется по двухточечной схеме доступа с установкой тонометров на руке и лодыжке

4. Аппаратная реализация 9. В качестве основного гемодинамического показателя выбрано среднее артериальное давление

5. Апробация системы на реальной информации в условиях крупного медицинского учреждения 10. Оценка отклика системы кровообращения на вариацию гравитационной нагрузки представляется в виде зависимостей АДср от частоты вращения ротора ЦКР (п), построенных для обеих точек доступа

Система мониторинга периферического кровообращения

Система мониторинга выполняется в виде двух функциональных устройств: быстро-съемного приборного контейнера, размещаемого на ЦКР, и портативного радиопередатчика, который находится у врача, осуществляющего дистанционное управление измерителями. Приборный контейнер состоит из трех секций, в каждой из которых закрепляется соответствующая управляющая и регистрирующая аппаратура (рис. 2). Такая компоновка препятствует смещению оборудования в условиях перегрузок.

Рис. 2. Общий вид быстросъемного приборного контейнера. Показан момент подготовки аппаратуры к экспериментам. Контейнер извлечен из ЦКР: 1 - приемник сигналов с встроенным коммутатором и антенной; 2 - тонометр АД2 (нижняя конечность); 3 - источник питания повышенной емкости;

4 - корпус контейнера; 5 - тонометр АД1 (верхняя конечность); 6 - согласующее устройство

В качестве измерителей давления выбраны тонометры ОМЯОК, которые обладают расширенной памятью (до 60 измерений) и встроенным таймером, необходимым для синхронизации показаний при выполнении серии экспериментов со сменой участников и режимов вращения.

Управление процессом мониторинга осуществляется с помощью радиоканала (рис. 3). Моменты включения тонометров (Измерители АД1, АД2) определяются врачом и осуществляются простым нажатием кнопки «Пуск». Таким образом, программирование регистраторов не требуется, что существенно повышает технологичность испытаний.

Рис. 3. Укрупненная структурная схема радиоканала

Что касается аппаратной реализации радиоканала, то на рис. 4 в качестве примера представлена схема платы радиопередатчика. В целях сокращения изложения схема приемника не приводится.

Рис. 4. Принципиальная схема платы передатчика РЫ-Б.С.1.-ЛС 09.05.05

Предлагаемая система прошла успешную апробацию на реальной информации в условиях крупного медицинского учреждения г. Самары. Эффективность предлагаемой системы подтверждена многократно. В частности, получены новые знания относительно отклика кровотока на интенсивность гравитационного воздействия, представляющие значительный интерес для пилотируемой космонавтики и ГТ.

Результаты мониторинга артериального давления

На рис. 5 представлен пример зависимостей среднего артериального давления АДср от частоты вращения ротора ЦКР. Вычисления выполнены по следующей формуле [7]:

АДср=АД^ +

где АД^, АДс1 - систолическое и диастолическое давление соответственно.

170

160

150

н о 140

н а 130

2 м 120

О. о 110

Ч

< 100

90

80

70

10

15

п, об/мин

20

рука_ср нога_ср остаз

♦ АД_

1 Орт

-*- -Ф-

25

30

Рис. 5. Пример зависимостей АДср от частоты вращения ротора ЦКР при двухточечном мониторинге периферического кровотока

0

5

Из рис. 5 следуют важные выводы:

1) в исследуемом диапазоне частот вращения среднее АД на уровне сердца (АД_рука_ср) остается практически постоянным. Такая закономерность согласуется с теоретическими основами гидромеханики и гемодинамики. Прежде всего расстояние от оси вращения до сердца (~0,3 м), а вместе с ним значение центробежного ускорения относительно невелико. Кроме того, барорецепторы, расположенные на уровне сердца, стабилизируют системное АД. Принимая во внимание приведенные соображения, далее показатель «АД_рука_ср» не рассматриваем;

2) выявлена важная закономерность, согласно которой возрастание частоты вращения (увеличение гравитационной нагрузки) сопровождается нелинейным ростом среднего артериального давления в лодыжечном сечении (АД_ноги_ср). В связи с этим были обработаны статистические данные, результаты которых представлены на рис. 6 в виде трех графиков: М, М ± о, где М - среднее арифметическое значение показателя, о - среднее квадратическое отклонение. Для удобства сопоставления полученных данных с нормой на рис. 6 показана точка, соответствующая позе «ортостаз» и обозначенная как «орто» (п = 0 об/мин).

п, об/мин

Рис. 6. Обобщенные зависимости АДср в области лодыжки от частоты вращения ротора ЦКР

Из рис. 6 следуют важные закономерности:

1) в диапазоне частот 10-15 об/мин (диапазон имитации гипогравитации Луны) среднее АД приближается к показателям, соответствующим невесомости (п = 0 об/мин), т.е. к патологии. Столь значительные отклонения от нормы требуют дальнейших исследований и, прежде всего, оценки работоспособности человека в условиях ослабленного кровотока в нижних конечностях. Ситуация осложняется еще и тем, что экипаж будет вынужден прилагать значительные усилия на преодоление сопротивления скафандра, жесткость которого в условиях Космоса возрастает;

2) в диапазоне частот 0-27 об/мин среднее АД ниже нормы. Это обстоятельство следует учитывать при планировании и осуществлении экспериментов, ориентированных на задачи пилотируемой космонавтики и гравитационной терапии.

Заключение

1. Разработана концепция и аппаратная реализация системы информационно-аналитического обеспечения сложных динамических систем класса «человек - короткоради-усная центрифуга». Система управляется дистанционно по радиоканалу и не требует программирования, что повышает технологичность экспериментов.

2. Выполнена апробация системы с использованием реальной информации. В результате апробации установлено, что система обладает высокой эффективностью по обеспечению дискретного мониторинга состояния периферической гемодинамики человека, находящегося во вращающейся среде.

3. Решен ряд задач, актуальных для пилотируемой космонавтики и гравитационной терапии. Построена эмпирическая зависимость артериального давления от частоты вращения ротора ЦКР, на основании которой определена нижняя граница эффективности сеансов вращения, и получены количественные оценки, характеризующие кровоток в условиях гипогравитации.

4. Необходимо продолжить исследования реакции периферического кровообращения на величину гравитационной нагрузки с расширением контингента испытуемых (статистика), выполнением ультразвуковой доплерграфии сосудов конечностей в сеансах вращения, привлечением наклонного стенда в качестве дополнительного технического средства, имитирующего гипогравитацию, и построением математической модели процессов.

1. Газенко, О. Г. От 108 минут до 438 суток и далее... (к 40-летию полета Ю. А. Гагарина) / О. Г. Газенко, А. И., Григорьев, А. Д. Егоров // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2001. - Т. 35, № 2. - С. 10-11.

2. Котовская, А. Р. Проблема создания искусственной силы тяжести с помощью центрифуги короткого радиуса для медицинского обеспечения межпланетных пилотируемых полетов / А. Р. Котовская, И. Ф. Виль, Вильямс, В. Ю. Лукьянюк // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2003. - Т. 37, № 5. - С. 36-39.

3. Падалка, Г. И. Задачи подготовки космонавтов на центрифугах по перспективным космическим программам / Г. И. Падалка, П. П. Долгов, В. Н. Киршанов // Космический форум, посвящ. 50-летию полета в космос Ю. А. Гагарина : материалы форума (18-19 октября 2011). - М. : ФГБУ НИИЦПК, Звездный городок, 2011.

4. Долгов, П. П. Основные направления работ на центрифугах и их целевого применения / П. П. Долгов, В. Н. Киршанов, А. П. Чудинов // Пилотируемые полеты в космос : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 55-летию ФГБУ НИИЦПК имени Ю. А. Гагарина (10-12 ноября 2015). - М. : ФГБУ НИИЦПК, Звездный городок, 2015. -С. 267-268.

5. Акулов, В. А. Мехатронные системы генерации искусственной силы тяжести наземного и космического применения / В. А. Акулов ; под ред. Г. П. Аншакова. - М. : Машиностроение, 2011. - 161 с.

6. Акулов, В. А. Анализ и синтез систем медицинского назначения с управляемой искусственной силой тяжести : дис. ... д-ра техн. наук / Акулов В. А. - Самара, 2013. - 252 с.

7. Фолков, Б. Кровообращение : пер. с англ. / Б. Фолков, Э. Нилс. - М. : Медицина, 1976. -

8. Zander, V. Short Radius Centrifuges - A New Approach for Life Science Experiments Under Hyper-g Conditions for Applications in Space and Beyond / V. Zander, R. Anken // Recent Patents on Space Technology. - 2013. - № 3. - P. 74-81.

9. Макаров, И. В. Клинико-экспериментальное обоснование применения гравитационной терапии в комплексном лечении больных облитерирующими заболеваниями артерий нижних конечностей : автореф. дис. ... д-ра мед. наук / Макаров И. В. - Самара : СамГМУ, 2004. - 46 с.

10. Галкин, Р. А. Гравитационная терапия в лечении больных облитерирующими заболеваниями артерий нижних конечностей / Р. А. Галкин, И. В. Макаров. - Самара, 2006. -

Список литературы

463 с.

198 с.

Акулов Владислав Алексеевич

доктор технических наук, профессор,

кафедра информационных технологий,

Самарский государственный технический

университет

(Россия, г. Самара,

ул. Молодогвардейская, 244)

E-mail: Vladislav.a.akulov@gmail.com

Akulov Vladislav Alekseevich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of information technology, Samara State Technical University

Батищев Виталий Иванович Batishchev Vitaliy Ivanovich

доктор технических наук, профессор, doctor of technical sciences, professor,

заведующий кафедрой информационных технологий, Самарский государственный технический университет

(Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244) E-mail: vib@list.ru

Макаров Игорь Валериевич

доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой хирургических болезней № 1, Самарский государственный медицинский университет

(Россия, г. Самара, ул. Чапаевская, 89) E-mail: makarov-samgmu@yandex.ru

Мякишев Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретических основ электротехники, Самарский государственный технический университет

(Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244) E-mail: vib@list.ru

Видманов Алексей Сергеевич

инженер,

Институт космического приборостроения, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34) E-mail: jkt13@rambler.ru

head of sub-department of information technology, Samara State Technical University

Makarov Igor' Valerievich

doctor of medical sciences, professor,

head of sub-department of surgical diseases № 1,

Samara State Medical University

Myakishev Vladimir Mikhaylovich

candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of theory of electrical engineering, Samara State Technical University

Vidmanov Aleksey Sergeevich

engineer,

Institute of Space Device Engineering, Samara State Aerospace University

УДК 519.876.5

Информационно-аналитическое обеспечение мониторинга состояния периферической гемодинамики в системе «человек - короткорадиусная центрифуга» / В. А. Акулов, В. И. Батищев, И. В. Макаров, В. М. Мякишев, А. С. Видманов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2016. - № 2 (16). - С. 81-88.