МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СОСТАВА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА В ПРОЦЕССЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОСТУРАЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Постуральные воздействия (ПВ) — это поочередная смена ортостатических и антиортостатиче-ских положений тела в пространстве, т.е. многократные, в том числе колебательные воздействия. При этом наблюдаются поочередные и противоположно направленные реакции организма, в частности: отрицательная и положительная инотропная реакции сердца, вазоконстрикторные и вазодилятационные сосудистые редакции, положительный и отрицательный хронотропные эффекты и ряд других динамических изменений [1]. Специфичность реакций организма на динамические постуральные воздействия связана с рядом особенностей последних. Во-первых, фиксация тела испытуемого на ме-ханургическом столе позволяет достигать таких положений при постуральных воздействиях, которые недостижимы самостоятельно. Во-вторых, интенсивность постуральных нагрузок никак не ограничивается способностью пациента к выполнению тех или иных физических упражнений и определяется целью применения ПВ и исходным состоянием испытуемого (пациента). Поскольку пациент остается пассивным при постуральных воздействиях, то усиление кровотока происходит без его перераспределения в пользу действующих мышц и без увеличения мышечного напряжения.

Для проведения ПВ в исследовании применялся механургический стол СА-03 — автоматизированный массажный стол со специальными средствами дистальной фиксации верхних и нижних конечностей, обеспечивающий заданные режимы динамической ориентации-перемещения человека в трех измерениях с различной скоростью относительно трех ортогональных осей [2]. Интенсивность постуральных нагрузок строго дозируется задаваемыми оператором параметрами: углами, скоростями, длительностями и порядком чередования смен положения тела в пространстве [3]. Стол имеет следующие режимы перемещения ложа: движение по вертикальной оси вверх – вниз, движение качания относительно горизонтальной оси, движение вращения ложа относительно собственной оси из нормального положения с возможностью управления от компьютера. Последовательность применения основных и сочетанных режимов движений ложа зависит от состояния испытуемого или пациента, от конкретной цели и переносимости процедуры. Такие широкие функциональные возможности СА-03 позволяют проводить физиологические исследования, проведение которых ранее было либо затруднено, либо невозможно [4].

В процессе динамических квазипериодических постуральных нагрузок наблюдаются изменения в первую очередь в сердечно-сосудистой и дыхательной системах. С целью неинвазивного контроля параметров энергетического обмена наиболее рациональным является применение газового масс-спектрометра для определения в реальном времени концентраций кислорода и диоксида углерода в выдыхаемом испытуемым воздухе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе был использован малогабаритный квадрупольный масс-спектрометр МС7-100, который позволяет одновременно и в режиме реального времени фиксировать до 10 компонентов газовых смесей с высоким быстродействием (до 0.1 с)

• [ 5]. Масс-спектрометр имеет прогреваемый до 70 °С прямой капиллярный ввод пробы при атмосферном давлении, источник ионов с электронным ударом, предельный вакуум в приборе — 10^–4 Па. Диапазон детектируемых масс 1–200 а.е.м., разрешающая способность 0.5 а.е.м. Аналитические возможности масс-спектрометра позволяют производить анализ состава газовых смесей, а также летучих метаболитов в выдыхаемом воздухе пациентов в широком диапазоне концентраций от 10^–6 до 100 % [6].

Перед проведением эксперимента производилась калибровка масс-спектрометра с помощью калибровочной смеси газов: азота — 80 %, кислорода — 15 % и диоксида углерода — 5 %, содержащейся в отдельном газовом баллоне. Соотношение 15 % О 2 и 5 % СО 2 приблизительно соответствует соотношению этих газов в воздухе, выдыхаемом среднестатистическим человеком.

Коммуникация, через которую производился отбор пробы выдыхаемого воздуха в режиме реального времени, представляла собой стерилизованную лицевую маску со специальным отверстием для герметичного присоединения капилляра масс-спектрометра. Маска одевалась на лицо пациента, в процессе дыхания производился непрерывный отбор воздуха в масс-спектрометр через это специальное отверстие. Поток воздуха через капилляр масс-спектрометра не превышал 5 мкл/с, поэтому пробоотбор не влиял на процесс дыхания. Поскольку в выдыхаемом воздухе очень высокое содержание влаги, то для предотвращения конденсации воды капилляр прогревался до 40 °С.

ПРОЦЕДУРА ИЗМЕРЕНИЙ

Протокол испытаний состоял из нескольких этапов, на каждом из которых производились измерения различных параметров (рис. 1).

На первом этапе производились следующие действия.

• -    Калибровка масс-спектрометра по эталонной газовой смеси.

• -    Синхронизация оборудования.

• -    Наложение ЭКГ-электродов, манжеты тонометра и лицевой маски.

• -    Измерение артериального давления, частоты сердечных сокращений (ЧСС) и параметров выдыхаемого воздуха (ВВ) в вертикальном положении испытуемого.

На втором этапе, после того как испытуемый размещался на ложе механургического поворотного стола, производились следующие действия.

– С помощью специальных средств дистальной фиксации закреплялись нижние конечности испытуемого, при этом руки свободно располагались вдоль туловища.

• -    Наложение электродов электроэнцефалографа (ЭЭГ).

• -    Наложение конечностных электродов рео-графа (РГ), грудных электродов и пульсового датчика на палец спирокардиоритмографа САКР.

• -    Фиксация стерильной дыхательной маски.

• -    В течение 5 мин исходная фоновая запись (до начала постурального воздействия).

• -    10-минутная нагрузочная проба с оказанием постуральных воздействий на испытуемого.

• -    Заключительная фоновая запись в течение 5 мин (после постурального воздействия).

• -    Испытуемый покидает ложе.

Для контроля состояния испытуемых при постуральных воздействиях в состав диагностического комплекса в настоящее время включаются различные биотехнические устройства: электрокардиограф ЭКГ, электроэнцефалограф ЭЭГ, рео-граф РГ, спироартериокардиоритмограф САКР, прецизионные термометры ДТО [1] (датчики температурных осцилляций), установленные на разные точки тела.

Рис. 1. Схема испытания.

1 — наложение маски для отбора и передачи по капилляру в масс-спектрометр проб выдыхаемого воздуха и подключение всех остальных регистрирующих приборов; 2 — фиксация ног испытуемого; 3 — выполнение динамического постурального воздействия; 4 — масс-спектрометрия выдыхаемого воздуха в режиме реального времени

Описанная процедура измерений была произведена для 35 испытуемых в возрасте от 20 до 30 лет: 18 девушек и 17 юношей, не имеющих хронических соматических и инфекционных заболеваний.

РЕЗУЛЬТАТЫ

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ПАЦИЕНТОВ

Образцы полученных характерных динамических масс-спектрограмм для двух разных пациен- тов представлены на рис. 2. Анализ вида полученных спектрограмм свидетельствует о том, что ответная реакция пациентов индивидуальна и может существенно различаться, несмотря на то, что постуральные воздействия выполнялись по единому протоколу. Информация о концентрации кислорода и диоксида углерода в выдохе пациента, а также анализ формы огибающей измеренных динамических масс-спектрограмм имеет важное значение для диагностики состояния пациентов в дополнение к данным основных датчиков в составе комплекса.

пациент №1

Время, с

Время, с

Рис. 2. Динамические масс-спектрограммы двух разных пациентов (а, б) в течение испытания

%

%

Рис. 3. Част ь дин а м и ческой м а с с-спектрограммы.

Отрезок А / В — выдох; В / С — альвеолярное плато; С/D — вдох; D/А — инспираторное плато

На рис. 3 пред с тавлена час ть д и н а миче с кой масс-с п ектр ог ра ммы в умень ш ен н ом м а с шта б е в р е ме ни. Как в и д но, н а д ы ха те ль н ых сп е ктрогр а ммах п ро являются т а кже се рд ечные сокра щ ения, которы е внос ят ос о бен н ости в форму огиба ю щих.

Проверка показала, что полученные данные всех испытуемых не имели нормального распре- деления, соответственно результаты в группах были представлены в виде медианы и 1-го, и 3-го квартилей, а для их анализа применялись непараметрические статистические критерии: для сравнения показателей в трех группах использовали H-критерий Краскелла – Уоллиса. В случае неверности нулевой гипотезы последующее попарное

Рис. 4. Ма к симальная конце н трация СО 2 в а л ьвеолярном выдохе до и посл е п ост у рал ь ных в оз де йствий (ПВ) в 3 сравнив а емых группах. Сверху в н из п ока з а н ы: мак с иму м , к в артиль 1 , мед и ан а , кварт и л ь 3, минимум; * — р аз л и чи я статистически значимы ( р < 0.05))

сравнение групп проводилось с помощью U-критерия Манна – Уитни, а показатели до и после сравнивались с помощью W-критерия Вилкоксона. Уровень статистической значимости рассчитывался с учетом поправки на множественную проверку гипотез, исходя из стандартного уровня значимости 5 %. Сравнение концентрации СO 2 в альвеолярной части выдоха в вертикальном положении за 5 мин до и через 5 мин после постурального воздействия продемонстрировало, что наблюдаются три характерных типа реакции: 1 гр. — умеренное усиление газообмена СО 2 ; 2 гр. — малозначимое снижение обмена; 3 гр. — статистически значимое увеличение концентрации СО 2 (рис. 4).

Учет исходных масс-спектрометрических показателей выдыхаемого воздуха позволяет отнести пациента к определенной группе и в дальнейшем может быть использован для комплексной диагностики состояния пациента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Информация о концентрации кислорода и углекислоты в выдохе пациента, а также анализ формы огибающей измеренных динамических масс-спектрограмм имеет большое значение для диагностики состояния испытуемых в дополнение к данным остальных датчиков в составе диагностического комплекса. Полученные динамические масс-спектрограммы и соответствующие им численные значения концентрации кислорода и диоксида углерода в выдыхаемом воздухе являются важной дополнительной информацией для комплексной обработки данных от всех биотехнических устройств комплекса, что позволит создать реально работающий алгоритм комплексной диагностики состояния пациента в ходе постуральных нагрузок.

Работа выполнена в рамках государственного задания 075-00780-19-02 (номер гос. регистрации АААА-А19-119053190069-2) и задания № АААА-А19-119022290064-2, в соответствии с договором о научнотехническом сотрудничестве ФГБНУ ИАП РАН и ФГБНУ «ИЭМ» № 557-2018-Н/001 от 06.03.2018.