СПОСОБ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА

Изобретение относится к физиологии и может быть использовано в донозологической диагностике и профилактической медицине для оценки функционального состояния организма человека.

Любая живая биосистема всегда находится в устойчиво-неравновесном состоянии, зависящем от флуктуаций внутренней (подсистемы организма) и внешней среды. Мерой здоровья, необходимой для поддержания равновесия между организмом и окружающей средой, можно считать степень напряжения регуляторных систем организма. Причем, чем ниже напряжение регуляторных систем и выше функциональные резервы организма, тем выше уровень здоровья.

В организме при разбалансировке внутренних и внешних флуктуаций в первую очередь возникают донозологические состояния, которые отличаются от физиологической нормы лишь тем, что вследствие снижения функциональных резервов организма сохранение гомеостаза обеспечивается более высоким, чем при норме напряжением систем регуляции. Если функциональные резервы продолжают снижаться, возникают различные преморбидные состояния, характеризующиеся перенапряжением регуляторных систем. Дальнейшее снижение функциональных резервов ведет к истощению регуляторных механизмов и развитию патологии.

Разработка способов раннего выявления донозологических, преморбидных и патологических состояний даже у практически здоровых людей является крайне актуальной задачей [1]. Причем наиболее востребованным направлением в диагностике являются способы оценки независимые от субъективных данных и не наносящие вреда исследуемому объекту.

Известно, что функциональное состояние биосистемы характеризуется своим собственным набором биологических ритмов, имеющих аппроксимирующую фикцию вида 1/fⁿ, наилучшим образом огибающую частотный спектр, где f - спектральная частота колебаний, n - показатель степени аппроксимирующей функции этих флуктуаций. При n=1 1/fⁿ (Фурье-спектр) описывает вариант «идеальных» гармоничных колебаний, т.е. «идеальную» целостность организма или «абсолютное» здоровье, что в природе, практически, не встречается. При n=0 1/fⁿ соответствует обычному «белому» шуму, характерной особенностью которого является наличие любых отклонений от среднего с любыми частотами и любыми фазами, но во всем диапазоне частот эти колебания имеют одну и ту же амплитуду. При показателе степени n=2 говорят о детерминированном «буром» (коричневом) шуме, который характеризуется случайными передвижениями малых частиц, взвешенных в жидкости и ударяемых тепловыми колебаниями молекул (броуновское движение) [2-5].

Промежуточное положение между «белым» (при n=0) и «бурым» (при n=2) шумом занимает фликкер-шум - это «розовые» флуктуации биоритмов слева и справа от «идеальных» гармоничных (при n=1) колебаний, являющиеся «золотой» серединой.

Целый ряд функций организма, регулируемых деятельностью центральной нервной системы, обнаруживают флуктуации, аппроксимирующая функция которых имеет вид 1/fⁿ, а показатель n изменяется от 0,5 до 2 [6]. К этим процессам относится широкий класс совершенно несходных флуктуаций организма: изменения скорости биохимических реакций, вариации разности потенциалов на нейромембранах, электрический шум (флуктуации возбудимости) в перехватах Ранвье нервного волокна, осцилляции активности одиночных нейронов и альфа-волн головного мозга, вариабельности сердечных сокращений и др.

С точки зрения регистрации и интерпретации, одной из наиболее доступных флуктуаций организма, с максимальной точностью отражающих состояние нейрогуморальной регуляции физиологических функций и адаптационных реакций целостного организма, является флуктуация частоты сердечных сокращений (ЧСС). Метод оценки флуктуаций ЧСС или вариабельности сердечного ритма (ВСР) дает информацию для эффективной донозологической диагностики, прогнозирования и предупреждения болезней.

На фиг. 1 представлен спектр «хаотических» колебаний ЧСС, рассчитанный на основе статистического массива ритмограмм кардиосигналов, зарегистрированных для множества здоровых людей в «состоянии сна», при этом значение показателя аппроксимирующей функции 1/fⁿ изменяется в диапазоне n=0,9…1 [7]. Однако, представленный диапазон n не может быть принят за состояние «нормы», поскольку он характерен для здорового организма в «состоянии сна», что недостаточно для оценки состояния организма при «бодрствовании».

Наиболее близкие данные к предлагаемому способу предоставлены в патенте RU №2432972, A61N 2/00. [8], который и был выбран за прототип. В прототипе показано, что для практически здорового человека в «состоянии бодрствования» значение показателя n=0,8…1,4, что соответствует состоянию «комфорта» организма. Выход показателя n за границы этого диапазона, т.е. n<0,8 или n>1,4, свидетельствует о наличии «дискомфорта». Недостатком прототипа является то, что в нем представлены лишь границы «комфорта» и «дискомфорта», согласно которых проводят коррекцию функционального состояния организма методом магнитотерапии. Конкретный способ диагностики исходного состояния организма в прототипе не указан.

Перед заявленным изобретением поставлена задача - разработать способ выявления на ранних стадиях возникновения индивидуально неблагоприятных изменений профиля активности состояния функциональных систем и предупреждения о наличии потенциально опасных для здоровья состояний организма. Данный способ не предполагает постановку диагноза, а предлагает (подсказывает) специалисту (врачу) решения для принятия дальнейшей тактики обследований и/или применения средств коррекции.

Техническим результатом способа является возможность получения критериальных параметров количественной и качественной экспресс-оценки функционального состояния организма на наличие неблагоприятных отклонений, что поможет медицинскому специалисту принять решение о проведении дополнительных специализированных обследований и/или адресных корректирующих, восстановительных и лечебных мероприятий.

В системе здравоохранения предлагаемый способ позволит выявить предболезненное состояние, осуществлять контроль течения лечебного процесса и полноту восстановления здоровья после заболевания, ограничить использование в целях диагностики небезопасных для организма физических воздействий и инвазивных методов, исключить субъективные данные в получении результатов. Предлагаемый способ также может быть применен при разработке индивидуальных высокоэффективных схем терапии, в скрининговых обследованиях здоровья населения любого региона страны и специалистов в процессе различных видов профессиональной деятельности.

Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе оценки функционального состояния организма, в котором на основании кардиограммы, исследуя вариабельность сердечного ритма, рассчитывают частотный спектр флуктуаций частоты сердечных сокращений и строят аппроксимирующую функцию вида 1/fⁿ, наилучшим образом огибающую частотный спектр, где f - частота спектра, n - показатель степени, причем значение показателя n используют в качестве характеристики состояния организма, новым является то, что диапазон значений n=0,8…1,4 принимают за диапазон «нормы», соответствующий состоянию «здоровье»; рассчитывают процент отклонения значения n от граничных значений «нормы», при этом если значения n отклоняется от граничных значений «нормы» менее, чем на 15%, то говорят о донозологическом развитии «патологии», если отклонение значения n находится между 15% и 30% относительно «нормы», то говорят о преморбидном состояния развития «патологии», если значение n отклоняется от граничных значений «нормы» более, чем на 30%, то говорят о наличии «патологии».

Общая оценка определяется в виде категорий соответствующей словесной интерпретации:

1. состояние «здоровье» - оптимальное напряжение регуляторных систем для поддержания активного равновесия организма, т.е. состояние физиологической нормы;

2. состояние донозологического развития «патологии» - наличие напряжения регуляторных систем организма и снижение функциональных резервов, возможны признаки утомления, реакции на производственный и/или эмоциональный стресс, рекомендуется отдых, профилактические медицинские мероприятия;

3. состояние преморбидного развития «патологии» - перенапряжение регуляторных систем и срыв функциональных резервов, появление специфических признаков патологии, рекомендуется дополнительное медицинское обследование;

4. наличие «патологии» - истощение регуляторных систем и функциональных резервов организма, наличие видимых признаков патологии, рекомендуется срочное дополнительное медицинское обследование.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно проводят регистрацию кардиосигнала обследуемого в положении «лежа», в шести стандартных отведениях (по W Einthoven и E. Goldberger) в течение 5 минут с помощью любой аппаратуры, позволяющей проводит регистрацию ЭКГ и выделять из нее длительности кардиоинтервалов. Затем осуществляют расчет значения параметра n с применением специально разработанного программного обеспечения (разработчик ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»). Для этого на основании кардиограммы, формируют временной массив последовательных значений RR-интервалов, преобразовывают его во временной массив флуктуаций ЧСС. Делают спектральное преобразование временного массива флуктуаций ЧСС, рассчитывают параметры аппроксимирующей функции 1/fⁿ, наилучшим образом огибающей частотный спектр флуктуаций ЧСС. По аппроксимирующей кривой частотного спектра определяют значение показателя n и сравнивают его со значениями диапазона «нормы». По выявленным различиям судят о функциональном состоянии организма.

Если значения n находятся в диапазоне значений «нормы», то состояние человека оценивают как «здоровье». Если n выходит за границы диапазона «нормы» менее чем на 15%, то говорят о состоянии донозологического развития «патологии». В случае различия значения n от крайних значений нормы более чем на 15%, но менее, чем на 30%, то говорят о состоянии преморбидного развития «патологии». Если отклонение значения n от границ «нормы» больше 30%, то функциональное состояние организма определяют как наличие «патологии».

В таблице 1 дана схема определения категории оценки функционального состояния организма на основе отклонения значения n от граничных значений «нормы».

Примеры конкретного выполнения способа оценки функционального состояния организма по показателю n.

Оценку функционального состояния по значению n проводили для группы здоровых обследуемых. В группу вошли 10 человек обеих полов в возрасте от 30 до 50 лет. Регистрацию кардиосигнала осуществляли с использованием программно-аппаратного комплекса «Поли-Спектр 8Е/8В» фирмы «НейроСофт» (Россия, Иваново), состоящего из кардиографа, аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера.

Для расчета значения n использовали специально разработанное программное обеспечение (разработчик ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»). Полученные значения n сравнивали со значениями диапазона «нормы». Если значение n находилось в границах диапазона «нормы», то, функциональное состояние организма соответствовало категории 1 и определялось как «здоровье», а словесная интерпретация состояния - «состояние оптимального напряжения регуляторных систем для поддержания активного равновесия организм, т.е. состояние физиологической нормы». В случае, когда значение n выходило за границы диапазона «нормы», то вычисляли процент отклонения от ближайшей границы «нормы». По проценту отклонения, находили категорию оценки, далее - соответствующее функциональное состояния и его словесную интерпретацию.

Общее время регистрации кардиосигнала и его обработки для получения конечного результата составляло не более 10 минут.

Пример 1.

Обследуемый - мужчина 47 лет.

Расчет значения параметра n=0,38.

Значение n не входит в диапазон «нормы» и меньше нижней границы нормы на 52,5%, что соответствует 4 категории оценки. Функциональное состояние - наличие «патологии».

Словесная интерпретация функционального состояния - истощение регуляторных систем и функциональных резервов организма, наличие видимых признаков патологии. Рекомендуется - срочное дополнительное медицинское обследование.

Пример 2.

Обследуемый - женщина 35 лет.

Расчет значения параметра - n=0,7.

Значение n не входит в диапазон «нормы» и меньше нижней границы нормы на 12,5%, что соответствует 2 категории оценки.

Функциональное состояние - донозологическое развитие «патологии».

Словесная интерпретация функционального состояния - наличие напряжения регуляторных систем организма и снижение функциональных резервов, возможны признаки утомления, реакции на производственный и/или эмоциональный стресс. Рекомендуется - отдых, профилактические медицинские мероприятия.

Пациент 3.

Обследуемый - женщина 40 лет.

Расчет значения параметра - n=0,65.

Значение n не входит в диапазон «нормы» и меньше нижней границы нормы на 18,75%, что соответствует 3 категории оценки.

Функциональное состояние - преморбидное развитие «патологии».

Словесная интерпретация функционального состояния - перенапряжение регуляторных систем и срыв функциональных резервов, появление специфических признаков патологии. Рекомендуется дополнительное медицинское обследование.

Пациент 4.

Обследуемый - мужчина 44 года.

Расчет значения параметра - n=1,69.

Значение n не входит в диапазон «нормы» и больше верхней границы нормы на 20,7%, что соответствует 3 категории оценки.

Функциональное состояние - преморбидное развитие «патологии».

Словесная интерпретация функционального состояния - перенапряжение регуляторных систем и срыв функциональных резервов, появление специфических признаков патологии. Рекомендуется дополнительное медицинское обследование.

Пациент 5.

Обследуемый - женщина 43 года.

Расчет значения параметра - n=1,65.

Значение n не входит в диапазон «нормы» и больше верхней границы нормы на 17,9%, что соответствует 3 категории оценки.

Функциональное состояние - преморбидное развитие «патологии».

Словесная интерпретация функционального состояния - перенапряжение регуляторных систем и срыв функциональных резервов, появление специфических признаков патологии. Рекомендуется дополнительное медицинское обследование.

Пациент 6.

Обследуемый - мужчина 33 года.

Расчет значения параметра - n=0,8.

Значение n равно нижней границе диапазона «нормы», что соответствует 1 категории оценки.

Функциональное состояние - «здоровье».

Словесная интерпретация функционального состояния - оптимальное напряжение регуляторных систем для поддержания активного равновесия организма, т.е. состояние физиологической нормы.

Пациент 7.

Обследуемый - женщина 30 лет.

Расчет значения параметра - n=1,0.

Значение n находится в границах диапазона «нормы», что соответствует 1 категории оценки.

Функциональное состояние - «здоровье».

Словесная интерпретация функционального состояния - оптимальное напряжение регуляторных систем для поддержания активного равновесия организма, т.е. состояние физиологической нормы.

Пациент 8.

Обследуемый - женщина 32 года. Расчет значения параметра - n=0,84.

Значение n находится в границах диапазона «нормы», что соответствует 1 категории оценки.

Функциональное состояние - «здоровье».

Словесная интерпретация функционального состояния - оптимальное напряжение регуляторных систем для поддержания активного равновесия организма, т.е. состояние физиологической нормы.

Пациент 9.

Обследуемый - мужчина 41 год. Расчет значения параметра - n=1,4.

Значение n равно верхней границе диапазона «нормы», что соответствует 1 категории оценки. Функциональное состояние - «здоровье».

Пациент 10.

Обследуемый - мужчина 45 лет. Расчет значения параметра - n=1,02.

Значение n находится в границах диапазона «нормы», что соответствует 1 категории оценки. Функциональное состояние - «здоровье».

Словесная интерпретация функционального состояния - оптимальное напряжение регуляторных систем для поддержания активного равновесия организма, т.е. состояние физиологической нормы.

Таким образом, предлагаемый способ позволил выявить в группе практически здоровых людей следующие функциональные состояния:

- в одном случае - наличие «патологии» и было настоятельно рекомендовано срочно пройти дополнительные медицинские обследования;

- в трех случаях - преморбидное развитие «патологии» и рекомендованы дополнительные медицинские обследования;

- в одном случае - донозологическое развитие «патологии» и рекомендован отдых и/или профилактические медицинские мероприятия;

- в пяти случаях - функциональное состояние организма соответствовало статусу «здоровье».

Заявленный способ в экспресс-режиме позволяет оценить функциональное состояние организма человека на момент исследования.

Результаты оценки функционального состояния организма добровольцев представлены в таблице 2.

Все таблицы и рисунки представлены в конце описания.

В табл. 1 приведена схема определения категории оценки функционального состояния организма.

В табл. 2 приведены результаты оценки функционального состояния обследуемых.

На фиг. 1 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений человека в «состоянии сна», рассчитанный на основе статистического массива данных ритмограмм кардиосигналов, зарегистрированных для множества здоровых людей.

На фиг. 2. представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 1 (n=0,38).

На фиг. 3 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 2 (n=0,7).

На фиг. 4 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 3 (n=0,65).

На фиг. 5 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 4 (n=0,69).

На фиг. 6 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 5 (n=1,65).

На фиг. 7 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 6 (n=0,8).

На фиг. 8 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 7 (n=1,0).

На фиг. 9 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 8 (n=0,84).

На фиг. 10 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 9 (n=1,4).

На фиг. 11 представлен спектр колебаний частоты сердечных сокращений для добровольца 10 (n=1,02).

Список литературы

1 Патент RU №2586041, Способ оценки адаптационного риска в донозологической диагностике / Черникова А.Г., Усс О.И., Баевский P.M., опубликован 10.06.2016 Бюл. 16.

2. Телемедицина. Новые информационные технологии на пороге XXI века / Ред. P.M. Юсупова и Р.И. Поклонникова. - Санкт-Петербург - ТОО «Анатолия», 1998, С 490.

3 Быстров, М.В. Вера и научное знание: конец противостояния / М.В. Быстров. СПб., 2005. - с. 42-44.

4 Мармарелис П., Мармарелис В. Анализ физиологических систем. Метод белого шума. - М.: Мир, 1981., 480 с.

5 Gardner М. White и brown music. Fractal curves and 1/f fluctuations. // Scientific American. - 1978. - N 4.).

6 Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991.

7 Использование управляющих ритмом в медицине, медицинская физика, №2, 1995 г., Методическое и техническое обеспечение психофизиологического эксперимента под редакцией акад. М.В. Фролова. М.: Наука, 1995, с. 3-15.

8 Патент RU №2432972, Способ коррекции функционального состояния организма / Девяткова Н.С., Крылов В.Н., Лобкаева Е.П. и др., опубликован 10.11.2011 Бюл. №31.