СПОСОБ НЕПРЯМОЙ ОЦЕНКИ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ЧЕЛОВЕКОМ
METHOD FOR INDIRECT EVALUATION OF INDIVIDUAL OXYGEN CONSUMPTION

Изобретение относится к области математической биологии, а именно к спортивной, подводной и авиакосмической физиологии. Предлагаемая методика может быть использована как в спортивных и оздоровительных целях (например, при подготовке спортсменов), так и в целях подготовки и контроля персонала (экипажа), длительное время изолированно пребывающего по роду практической деятельности в условиях подводных и авиакосмических исследований, а также связанных с деятельностью человека, находящегося в экстремальных условиях.
Знание количества потребляемого человеком кислорода при разных видах деятельности является одним из важных инструментов исследования жизнедеятельности экипажей гермообъектов [Олизаров В.В. Системы обеспечения жизнедеятельности экипажей летательных аппаратов. Под ред. В.А. Боднера. М.: Издание ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1962. с.13] и оценки их работоспособности [Аулик И.В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. М.: Медицина. 1979. с.54]. Колебания изменений потребления кислорода на протяжении суток зависит от чередования разных нагрузок на человека, в том числе связанных с постуральными изменениями.
Известны разные инструментальные методы оценки потребления кислорода на уровне всего организма [Физиология человека. Под ред. Р.Шмидта, Г.Тевса. В 3-х томах. Т.3, М.: Мир. 2010. с.660 - прототип]. Однако применение известных методов подразумевает обязательное наличие газоаналитической аппаратуры, калибровочного оборудования к ней, замену комплектующих, например датчиков, имеющих ограниченный срок хранения. В свою очередь, калибровочное оборудование включает наличие сосудов под высоким давлением, использование которых согласно содержанию требований норм к безопасности может быть недопустимо в условиях барокамер и других гермообъектов, включая космические летательные аппараты (КЛА). Кроме того, даже простая транспортировка баллонов с калибровочными газами под высоким давлением в труднодоступные места, например околоземное пространство, сопряжена с высоким риском и является дорогостоящей.
Изобретенный нами метод определения потребления кислорода человеком полностью исключает необходимость в транспортировке описанного выше оборудования в космос и другие труднодоступные места.
Известно также, что косвенные результаты измерений могут быть не менее точными, чем результаты прямых измерений. Такой подход в естествознании известен и описан [Бурмистров Г.А. Основы способа наименьших квадратов. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр. 1963. с.119-208; Агекян Т.А. Теория вероятностей для астрономов и физиков. Учебное пособие. М.: Наука. 1974. с.197; Мазмишвили А.И. Способ наименьших квадратов. М.: Недра. 1968. с.180-231].
Поэтому одним из перспективных направлений является изучение взаимосвязи физиологических параметров оптимального функционирования членов экипажей пилотируемых объектов [Шибанов Г.П. Обитаемость космоса и безопасность пребывания в нем человека. М.: Машиностроение. 2007. 544 с.; Ханин М.А., Дорфман Н.Л., Бухаров И.Б. и др. Экстремальные принципы в биологии и физиологии. М.: Наука. 1978. 256 с].
Задачей предлагаемого изобретения является разработка нового способа адекватной оценки количества потребляемого кислорода человеком без применения дорогостоящей газоаналитической аппаратуры на основании измерения физиологической характеристики вегетативной нервной системы и дозированной нагрузки на организм.
Достигаемым техническим результатом является определение количества потребленного кислорода человеком на основании измерения дозированной нагрузки на велоэргометре и индекса Кердо.
Способ осуществляется следующим образом.
1. Строят модель связи вегетативного индекса Кердо и количества потребления кислорода (в литрах в минуту).
Для чего выполняют измерение индекса Кердо и соответствующего ему потребления кислорода при разных уровнях физической нагрузки: 0, 60, 75, 90 Вт и т.д. вплоть до максимального потребления кислорода.
В качестве модели зависимости нами найдена зависимость:
<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>y</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1.1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
0
где z - детерминированное, то есть заведомо задаваемое на измерительном устройстве (например, велоэргометре), значение мощности нагрузки, х - измеряемое значение вегетативного индекса Кердо, y - отклик организма в виде количества потребляемого кислорода (л/мин), a, a, a - линейные коэффициенты, значения которых находятся для конкретного испытуемого в лабораторных условиях методом наименьших квадратов.
Пример 1. Для испытателя К. уравнение связи в виде линейной функции двух переменных имеет вид:
<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mn>23.06</mn><mo>⋅</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>82.7</mn><mo>⋅</mo><mi>y</mi><mo>−</mo><mn>28.2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1.2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
0
На фиг.1 представлена трехмерная графическая интерпретация модели (1.2) для испытателя К. Видна наиболее удобная для восприятия точка обзора. По оси абсцисс и ординат соответственно - индекс Кердо и потребление кислорода. По оси аппликат - нагрузка (Вт). Значения коэффициентов a=23.06, a=82.7, a=-28.2 найдены методом наименьших квадратов.
1
2
0
Модель (1.2) является индивидуальной характеристикой организма испытателя К. Для других испытателей с помощью лабораторных экспериментов использован метод наименьших квадратов, нужно найти их индивидуальные значения характеристик a, a, a.
1
2
0
2. Зная индивидуальную модель испытателя, и в других случаях, в которых измерение потребления кислорода невозможно или связано со значительными материальными затратами, потребление кислорода определяют по формуле (где значения коэффициентов a, а, а определены на этапе построения модели, см. п.1):
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>z</mi><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1.3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Общий объем потребляемого кислорода испытателем вычисляется как
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mi>a</mi><mi>b</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mi>c</mi><mi>k</mi></munderover><mrow><mfrac><mrow><mi>z</mi><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1.4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где a, b - зарегистрированные границы значений индекса Кердо, c, k - границы значений мощности нагрузки.
Метод расчета применим, в том числе, для состояния относительного покоя, в котором нагрузка считается равной нулю.
С помощью многомерного критерия Фишера-Снедекора нами в 2011-2012 гг. выполнена проверка адекватности метода на 30 практически здоровых испытуемых в ходе фоновых исследований экспериментов ГНЦ Института медико-биологических проблем РАН «Марс-500», «Гелий-11», «Аргон-11» и «Аргон-12», одобренных Биоэтической комиссией института.
-21
В результате проверки установлено, что вероятность ошибки метода близка к нулю (≈10). Нами установлено, что среди испытателей экспериментов максимальное зарегистрированное потребление кислорода было 4.7 л/мин. У спортсменов экстра-класса этот показатель может достигать 6 л/мин.
В результате численной апробации моделей в экспериментах «Марс-500», «Гелий-11», «Аргон-11» и «Аргон-12» установлено, что разработанная методика является достаточно точной для решения задач жизнеобеспечения экипажей КЛА.
Пример 2. Из измерений на велоэргометре известно, что у испытателя эксперимента «Гелий-11» К при значении нагрузки 210 Вт значение индекса Кердо составило +0.41.
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>210</mn><mo>+</mo><mn>28.2</mn><mo>−</mo><mn>23.06</mn><mo>⋅</mo><mn>0.41</mn></mrow><mrow><mn>82.7</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2.76</mn><mtext> л/мин</mtext></mrow>
Определяем:
- соответствующее потребление кислорода.
Вместе с тем известно, что в результате измерений данный испытатель при нагрузке 210 Вт и индексе Кердо +0.41 потреблял кислорода 2.92 л/мин. То есть, предсказанный с помощью модели результат, найденный без выполнения измерений газоаналитической аппаратурой количества потребляемого кислорода, 2.76 л/мин, незначительно отличается от зарегистрированного инструментально результата 2.92 л/мин.
1
2
0
Вывод. Зная модель (1.1) с найденными методом наименьших квадратов значениями коэффициентов a, а, а для данного испытателя, измерения потребляемого им кислорода можно не выполнять, а предсказать заранее достаточно точно. Этим методом можно воспользоваться, например, на борту КЛА, где длительное измерение потребляемого кислорода сопряжено со значительными техническими и экономическими трудностями. Наш же способ позволит, в том числе, индивидуально косвенно мониторировать потребление кислорода на борту МКС без применения газоаналитической аппаратуры.