ЦИФРОВОЙ ПОДХОД АНАЛИЗА ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА НА ПРИМЕРЕ РЕАКЦИИ СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КОГНИТИВНОЙ НАГРУЗКИ У СТУДЕНТОВ
ЦИФРОВОЙ ПОДХОД АНАЛИЗА ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА НА ПРИМЕРЕ РЕАКЦИИ СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КОГНИТИВНОЙ НАГРУЗКИ У СТУДЕНТОВ
Аннотация
Цифровой анализ петли гистерезиса дополняет ее качественные характеристики, что позволяет унифицировать полученные данные клинико-физиологических тестов оценки состояния человека. Цель исследования – обосновать и разработать методику оцифровки петли гистерезиса на примере реакции системы кровообращения в условиях когнитивной нагрузки у студентов. Обследовано 35 человек (18 – юноши, 17 – девушки), все участники – студенты второго курса медицинского университета, средний возраст 19±0,07 лет. У обследуемых определялось пульсовое давление и частота сердечных сокращений (ЧСС) в условиях гиперцикла – исходное состояние – когнитивная нагрузка (тест Амтхауэра) – восстановление после нагрузки. Введенные нами критерии петли гистерезиса: Stress, PhT– phase transition переходное состояние, смена регуляторных механизмов, обеспечивающих адаптацию в момент нагрузки, RR – recovery reaction - реакция восстановления после выполнения нагрузки, RV – recovery vector – вектор восстановления, точка Set point – уровень неравновесности, точка фазового перехода, SD1 – state disequilibrium 1 – состояние неравновесности 1, включение механизмов регуляции на стресс, SD2 – state disequilibrium 2 – состояние неравновесности 2 – смена механизмов регуляции при восстановлении, а также разработанный метод цифрового анализа этих критериев обосновывают следующие выводы. Цифровой подход анализа петли гистерезиса позволяет количественно оценить варианты соотношения между состояниями напряжения и восстановления при выполнении нагрузочных тестов. Точка Set point, являясь основой фазового перехода, определяет эффективность и направление реакции восстановления.
1. Введение
Многие физиологические и патологические процессы организма характеризуются цикличностью, т.е. последовательной сменой фаз. Такую цикличность можно проследить как в условиях реализации классической стресс-реакции, так и в реализации физиологических процессов, направленных на поддержание гомеостаза в целом. Для этих процессов характерна фазовость реакции, направленная на поддержание определенной функции в физиологическом диапазоне. Естественно, что колебательный характер определенной функции проявляется не только классическим вариантом реагирования, принятого выражать как +/-, но и уровнем фазового перехода, т.е. состоянием неравновесности. Так, в частности, для состояния стресса характерна достаточно четкая стадийность процесса: – тревога – резистентность – восстановление
, , причем стадия восстановления зависит от интенсивности стрессора и адаптационных ресурсов организма. Именно поэтому понимание механизмов и вариантов «выхода» организма из стресса является частным вариантом наиболее фундаментальной закономерности, связанной с регуляцией гомеостатических констант организма в целом, в условиях нормы и патологии. Варианты «выходов» из состояния стресса могут быть различными и интерпретироваться как отсроченная «плата» за стресс , . По нашему мнению, реакция восстановления лимитирует исходы стресса и наиболее уязвима за счет многообразия вариантов восстановления. Значимость этой реакции можно хорошо проиллюстрировать на деятельности сердца – когда эффективность систолы закладывается в диастоле, известный термин «диастолическая дисфункция», в клиническом аспекте, рассматривается как прелюдия более глубоких нарушений сердечной деятельности в перспективе . Следовательно, процесс напряжения (стресс) и реакцию восстановления, необходимо рассматривать как единый гиперцикл, в основе которого лежат системные изменения активности регуляторных контуров, базирующиеся на взаимоотношениях между симпатической и парасимпатической нервными системами. Этот баланс, либо дисбаланс, поддерживаются на различном уровне неравновесности. Явление гистерезиса, как ранее нами показано , , позволяет выявить особенности межсистемных отношений в целом и регуляцию работы сердца в частности. На предыдущем этапе исследования анализ петли гистерезиса основывался в основном на ее качественных особенностях . В настоящей работе поставлена задача разработки методов по цифровому анализу петли гистерезиса на примере колебательных процессов сила-частота сердечных сокращений в условиях цикла – состояние покоя-когнитивная нагрузка-восстановление после нагрузки. Полагаем, что на современном этапе осмысление значимости оценки петли гистерезиса, как в условиях нормы, так и патологии, позволит унифицировать полученные данные, дополнив, тем самым, клинико-физиологические методы оценки состояния человека. Таким образом, разработка и обоснование цифрового подхода при анализе петли гистерезиса определили цели и задачи настоящего исследования.Цель исследования: обосновать и разработать методику оцифровки петли гистерезиса на примере реакции системы кровообращения в условиях когнитивной нагрузки у студентов.
Задачи исследования:
1. Цифровой анализ петли гистерезиса в оценке системы кровообращения в условиях когнитивной нагрузки в обследуемых группах.
2. Оценка фазовых переходов на основе распределения точек Setpoint с применением петли гистерезиса.
2. Методы и принципы исследования
В исследовании приняли участие 35 человек из них – 18 юношей, средний возраст 19,4±0,1 лет, 17 девушек, средний возраст 19,0±0,05 лет, все участники студенты второго курса, педиатрического факультета медицинского университета г. Новосибирска. Исследование проводилось весной. В качестве нагрузки применялся тест Амтхауэра (устное решение арифметических задач) . В ходе исследования регистрировалось артериальное давление (АД), после чего определялось, пульсовое давление (ПД) в мм.рт.ст. Измерялась частота сердечных сокращений (ЧСС) – уд/мин. Осуществлялось 4 замера – ПД, ЧСС – 1 – до проведения исследования, ПД, ЧСС – 2 – вовремя исследования, ПД, ЧСС – 3 – сразу после проведения исследования, ПД, ЧСС – 4 – через 5 минут после проведения исследования . Полученные результаты обрабатывались с использованием пакета прикладных программ: Exel-7.0, Advanced Grapher и Statistika-7,0. Для обработки полученных данных использовались непараметрические методы анализа для зависимых и независимых переменных. Различия считались достоверными при р < 0,05. При M – показатель средних величин, m – ошибка средней величины. Различия считались достоверными при р < 0,05.
3. Основные результаты
На первом этапе нашего исследования мы оценили показатели ПД, и ЧСС в общей группе обследуемых, в группах юношей и девушек в 4-х измерениях (табл.1,2), и проследили динамику зависимости этих показателей относительно друг друга с применением явления гистерезиса (рис. 1,2,3). Юноши и девушки одного возраста 19±0,07 лет, в группе девушек фаза менструального цикла не учитывалась.
Таблица 1 - Значения пульсового давления и частоты сердечных сокращений в четырех точках измерений в общей группе обследуемых
Параметр | ПД-1, мм.рт.ст | ПД-2, мм.рт.ст | ПД-3, мм.рт.ст | ПД-4, мм.рт.ст | ЧСС-1, уд/мин | ЧСС-2, уд/мин | ЧСС-3, уд/мин | ЧСС-4, уд/мин |
Общая группа | 40,2±1,8 | 40,0±2,2 | 42,0±2,2 | 39,7±1,5 | 77,2±1,6 | 90,4±2,4٭ | 87,3±2,0٭ | 78,1±1,8 |
Примечание: M±m; ПД – пульсовое давление; ЧСС – частота сердечных сокращений; 1,2,3,4 – замер исследования; ٭ - достоверное отличие; р < 0,05
Для построения петли гистерезиса учитывали одновременно показатели ЧСС и ПД в четырех точках исследования в системе координат х и у. Для анализа петли гистерезиса мы предлагаем вариант оцифровки показателей. Для оцифровки использовался графический модуль программы Exel, с применением масштабной сетки, где сторона малого квадрата составляет 2 см, что составляет 75,87 пикселей (px). Конвертация сантиметров в пиксели осуществлялась с использованием онлайн конвертера сантиметров в пиксели
. Конвертация необходима для стандартизации получаемых значений.Для оцифровки показателей нами введены критерии (рис.1):
- Stress – отрезок 1-2 петли гистерезиса, который отражает переход регуляторных механизмов системы кровообращения от исходного состояния к пику выполнения нагрузки.
- PhT – phase transition – отрезок 2-3 (пик нагрузки – завершение нагрузки), переходное состояние, т.е. смена регуляторных механизмов, обеспечивающих адаптацию в момент нагрузки.
- RR – recoveryreaction – отрезок 3-4 (реакция восстановления после выполнения нагрузки), переходное состояние, характеризует смену механизмов регуляции в процессе восстановления.
- RV – recovery vector – вектор С (1-4) – направление реакции восстановления.
- Точка Setpoint – уровень неравновесности, точка фазового перехода. Рассчитывается, как сумма всех показателей, деленная на их количество. Точка Setpoint отражает определенную точку в виртуальном пространстве, где происходит инверсия программ регуляции и закладывается вектор процессов восстановления.
- SD1 – state disequilibrium 1 – вектор А (1 – точка Setpoint), состояние неравновесности 1, включение механизмов регуляции на стресс.
Рисунок 1 - Динамика ПД и ЧСС в четырех точках исследования в общей группе обследуемых
Отрезок 1-2 (Stress) составляет – 199,93 px. Отрезок 2-3 (PhT) – 73,22 px, отрезок 3-4 (RR) – 142,64 px. Вектор С (RV) – 20,1px. RV – направлен вниз, т.е. показатели ЧСС и ПД после восстановления меньше исходных величин, это реакция гипервосстановления. SD1 – 88,39px. SD2 – 90,29px.
Таблица 2 - Значения пульсового давления и частоты сердечных сокращений в четырех точках измерений в группах обследуемых юношей и девушек
Параметр | Юноши | Девушки | Достоверность |
ПД-1, мм.рт.ст | 44,4±2,3 | 35,8±2,4 | р=0,01 |
ПД-2, мм.рт.ст | 44,4±2,5 | 39,4±3,6 | - |
ПД-3, мм.рт.ст | 46,6±2,8٭ | 37,0±3,2 | р=0,03 |
ПД-4, мм.рт.ст | 40,5±2,4٭ | 38,8±1,8 | - |
ЧСС-1, уд/мин | 77,0±2,2 | 77,4±2,4 | - |
ЧСС-2, уд/мин | 86,0±3,1٭ | 94,2±3,4٭ | - |
ЧСС-3, уд/мин | 84,5±2,6٭ | 89,8±3,0٭ | - |
ЧСС-4, уд/мин | 77,0±2,1٭ | 79,1±3,0٭ | - |
Примечание: M±m; ПД – пульсовое давление; ЧСС – частота сердечных сокращений; 1,2,3,4 – замер исследования; ٭ - достоверное отличие в группах юношей и девушек (по вертикали); р < 0,05
Рисунок 2 - Динамика ПД и ЧСС в четырех точках исследования группе юношей
Рисунок 3 - Динамика ПД и ЧСС в четырех точках исследования группе девушек
Отрезок 1-2 (Stress) составляет – 251,9 px. Отрезок 2-3 (PhT) – 93,32 px, отрезок 3-4 (RR) – 162,75 px. Вектор С (RV) – 116,46 px. RV – направлен вверх, т.е. показатели ЧСС и ПД после восстановления меньше исходных величин, это реакция гиповосстановления. В точке восстановления ЧСС возвращается к исходному уровню. Показатель ПД снижается. SD1 –114,57 px. SD2 – 101,29 px. С целью сравнительной оценки полученных результатов во всех обследованных группах они систематизированы в таблице 4.
Таблица 3 - Оцифрованные значения показателей петли гистерезиса в пикселях в группах обследуемых
| Stress | PhT | RR | RV | SD1 | SD 2 |
Общая группа | 199,93 | 73,22 | 142,64 | 20,1(-) | 88,39 | 90,29 |
Группа юношей | 135,43 | 84,22 | 231,04 | 149,47 (-) | 55,38 | 69,42 |
Группа девушек | 251,9 | 93,32 | 162,75 | 116,46 (+) | 114,57 | 101,29 |
Примечание: «-» - направление вектора вниз; «+» - направление вектора вверх
Рисунок 4 - Динамика точки Set point в группах обследуемых:
1 – общая группа; 2 – группа юношей; 3 – группа девушек
4. Обсуждение результатов исследования
Когнитивная нагрузка, применяемая в нашем исследовании, в качестве нагрузочного теста, является стимулирующим и стрессирующим фактором, влияние которого проявляется особенностями регуляции системы кровообращения. В исследованиях выявлена жесткая связь когнитивных процессов с динамикой вегетативной регуляции работы сердца посредствам общей нейрофизиологической основы. В развитии стресс-реакции стадия восстановления намного продолжительнее и разнообразнее стресс-реагирования. Эта стадия не детерминирована и не имеет конкретного стимула. Процесс переключения стресса на реакцию восстановления формируется в рамках фазовых переходов, когда, в результате дестабилизации функции «выбирается» стратегия восстановительного процесса и закладывается его вариант. В качестве методического подхода в оценке реакции восстановления предлагается использовать явление гистерезиса. Введенные нами критерии петли гистерезиса и их оцифровка позволяют количественно оценить варианты реакции восстановления (RR), и определить вектор восстановления (RV). В группе юношей реакция восстановления более продолжительная, в отличие от группы девушек, а вектор восстановления направлен вниз – реакция гипервосстановления, у девушек вектор восстановления направлен вверх – гиповосстановление. При проведении когнитивной нагрузки регуляторный контур АД представляет собой структуру переходных процессов имеющих нелинейный характер . Показатель уровня неравновесности системы – точка Set point, является средней величиной от исследуемых показателей, она определяет уровень структуры, формирующей реакцию восстановления. Цифровой подход анализа петли гистерезиса выявляет точку Set point и позволяет провести сравнительную характеристику SD1 и SD2. В группе юношей соотношение напряжение/восстановление определяет преобладание реакции восстановления. В группе девушек такой закономерности нет. Мы предполагаем, что существует взаимосвязь между точкой Set point и характером фазового перехода регуляторных механизмов, а также структурой реакции восстановления. Чем больше величина неравновесности (Set point), тем раньше и быстрее наступает фазовый переход, а восстановление осуществляется по «мономодальному» – т.е эффективному варианту, в нашем исследовании, это группа юношей. Чем меньше уровень неравновесности (Set point), фазовый переход замедляется, и восстановление идет по «мультимодальному» варианту – неэффективный вариант, в нашем исследовании, группа девушек. «Мономодальный» вариант восстановления характеризуется наличием предопределенных причинно-следственных отношений между взаимодействующими регуляторными системами. «Мультимодальный» вариант восстановления определяется стохастическим принципом межсистемных отношений. Этот вариант более чувствителен к различным воздействиям и факторам, что может проявляться нарушениями функций на этапе реакции восстановления.
5. Заключение
1. Цифровой подход анализа петли гистерезиса позволяет количественно оценить варианты соотношения между состояниями напряжения и восстановления при выполнении клинико-физиологических нагрузочных тестов. Оцифровка и унификация показателей петли гистерезиса обеспечивает объективный обмен информацией и создает условия для выявления и разработки новых диагностических и прогностических критериев.
2. Точка Setpoint характеризует взаимосвязь между уровнем неравновесности и структурой регуляторных механизмов ответственных за адаптацию в условиях нагрузочного теста, являясь основой фазового перехода, что определяет эффективность и направление реакции восстановления.