Новые возможности контроля вентиляционной функции легких человека в задачах специальной физиологии с использованием трахеальных шумов форсированного выдоха

Введение. Некоторые виды профессиональной деятельности человека (водолазные погружения, космические полеты и др.) связаны с воздействием неблагоприятных факторов внешней среды (температура, атмосферное давление, парциальное давление газов и пр.). При этом физиологические возможности адаптации организма к экстремальным условиям хотя довольно широки, но не безграничны [1–3]. Изучение ответных реакций различных органов и систем человека на действие экстремальных факторов как в острых ситуациях, так и при длительных экспозициях необходимо для лучшего понимания состояния организма, выявления ранних признаков функционального неблагополучия и своевременной профилактики развития серьезных заболеваний [4–8].

Респираторная система человека – первый барьер между организмом и окружающей атмосферой и поэтому в первую очередь подвержена влиянию неблагоприятных факторов [9]. Форсированный выдох (ФВ) – дыхательный маневр, который в качестве функционального теста с помощью потоко-объемных и акустических параметров позволяет выявлять минимальные отклонения в функционировании бронхов, в частности увеличение сопротивления воздушному потоку, которое является характерным признаком нарушений проходимости дыхательных путей [10].

Ранее акустическая оценка продолжительности трахеальных шумов ФВ показала высокую чувствительность в выявлении скрытой бронхиальной обструкции у молодых мужчин с бронхиальной астмой [11], при оценке влияния однократного водолазного погружения в дыхательных аппаратах замкнутого типа прежнего поколения [12], в условиях моделирования пилотируемого полета на Марс [13]. Ныне базис перспективных акустических параметров шумов ФВ расширен [14].

Таким образом, изучение изменений состояния респираторной системы с помощью анализа акустических параметров ФВ как при различных физических, так и при медикаментозных воздействиях актуально для индивидуального контроля состояния человека в задачах специальной физиологии.

Цель исследования. Оценить возможности контроля изменений вентиляционной функции легких человека при водолазных погружениях в современных дыхательных аппаратах замкнутого типа, постуральном моделировании невесомости и бронходилятационной пробе с помощью разработанных акустических параметров трахеальных шумов форсированного выдоха.

Материалы и методы. Для реализации поставленной цели обследование прошли 3 группы здоровых добровольцев.

Первая группа – 25 профессиональных водолазов, мужчин в возрасте от 22 до 44 лет (средний рост (M±SD) – 178±6 см, вес – 76±8 кг), погружавшихся в современных дыхательных аппаратах замкнутого типа и выполнявших подводные работы в привычных для них условиях в прибрежной акватории Япон- ского моря в летний и осенний периоды. Респираторных жалоб перед погружением не отмечено. Предшествующие хронические, а также специфические заболевания и травмы легких в данной группе отсутствовали. Измерение проводилось в полевых прибрежных условиях непосредственно перед и сразу после спуска под воду (со снятым водолазным костюмом).

Вторая группа – 11 испытателей-мужчин в возрасте от 19 до 38 лет, (средний рост – 175±5 см, вес 70±8 кг). Респираторных жалоб перед проведением эксперимента в группе не было. Хроническое бронхолегочное заболевание в стадии ремиссии (бронхиальная астма) отмечено у одного испытателя. Эта группа по условиям эксперимента, проведенного совместно с НИИ космической медицины ФНКЦ ФМБА России, разделена на две подгруппы. Первая подгруппа (5 чел.) в течение 21 сут находилась на постельном режиме с отрицательным углом наклона головы (-6°) по отношению к горизонту для моделирования физиологических эффектов длительной невесомости. Вторая подгруппа (6 чел.) первые 5 сут находилась в идентичных условиях, что моделировало условия пилотируемого полета к Луне в невесомости, а на 6-е сут переведена на постельный режим с положительным углом наклона головы (+9,6°) по отношению к горизонту для моделирования физиологических эффектов лунной гравитации. В таком положении испытатели второй подгруппы находились на протяжении 16 сут, а на время ночного сна (с 23.00 до 7.00) переводились в горизонтальное положение [15].

Третья группа – 29 здоровых добровольцев в возрасте от 20 до 59 лет (средний рост – 172±9 см, вес 72,5±14,5 кг). Мужчин – 16 чел., женщин – 13 чел. Респираторных жалоб перед обследованием не предъявляли. Хронические бронхолегочные и сердечно-сосудистые заболевания отсутствовали. Обследование проводилось непосредственно перед и через 20 мин после бронходилятационной пробы (приема препарата сальбутамол через спейсер в дозе 400 мкг).

Фактор курения при формировании групп не исключался. Обследование по всем группам включало последовательную регистрацию трахеальных шумов ФВ и спирометрию.

Методика одобрена комитетом по биомедицинской этике МО ДВО РАН. Обследованными добровольцами подписано информированное согласие на выполнение неинвазивных исследований, в котором каждому разъяснен характер проводимых мероприятий. Регистрации показателей предшествовало обучение правильному выполнению дыхательных маневров.

Регистрация трахеальных шумов ФВ в полосе частот 200–2000 Гц выполнялась с помощью аппаратно-программного комплекса ПФТ [11]. От 3 до 5 попыток правильно выполненного дыхательного маневра запоминались в виде файлов *.wav. Анализ акустических показателей проводился по попытке с наибольшей продолжительностью ФВ.

Для каждой записи маневра ФВ были определены следующие спектральные параметры: продолжительность маневра Т а , полосовые продолжительности (t 200–400 , …, t 1800–2000 ), полосовые энергии (A 200–400 , …, A 1800–2000 ). Рассчитаны удельные полосовые энергии (AR 200–400 , …, AR 1800–2000 ), представляющие собой энергию в 200-герцовых полосах частот, нормированную на полную энергию в полосе 200–2000 Гц.

Портативным компьютерным спирографом (MicroLoop, MicroMedicalLtd. UK) измерялись фактические величины показателей: жизненная и форсированная жизненная емкости легких (ЖЕЛ, ФЖЕЛ), объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ 1 ), средняя объемная скорость форсированного выдоха на уровне между 25 и 75 % ФЖЕЛ (СОС 25–75 ), пиковая объемная скорость выдоха (ПОС_выд) – и сравнивались с должными значениями, рассчитанными по уравнениям European Coal and Steel Community (ECCS, 1993). Интерпретация результатов спирометрии проводилась в соответствии с рекомендациями American Thoracic Society / European Respiratory Society, (ATS/ERS, 2005).

Для оценки групповых различий до и после воздействий использовался непараметрический T-тест Вилкоксона. Для оценки индивидуальной динамики – величина относительного приращения контролируемого параметра при сравнении с 99 % пределом внутрииндивидуального разброса. Корреля- ционный анализ проводился с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена. Для выявления влияния факторов, моделирующих невесомость и лунную гравитацию во времени, применялся двухфакторный дисперсионный анализ (ANOVA).

Результаты и обсуждение. При определении групповой динамики спирографиче-ских показателей до и после погружения водолазов значимых различий не обнаружено. При долговременной групповой оценке влияния моделирования невесомости и лунной гравитации на респираторную функцию отмечено значимое снижение практически всех показателей спирометрии (кроме ФЖЕЛ) в пределах нормальных значений на 3-и сут эксперимента. При медикаментозном воздействии выявлено групповое различие по скоростным показателям спирометрии, таким как ОФВ 1 , СОС 25–75 (p<0,01).

При оценке индивидуальной динамики акустического параметра T a для каждого из водолазов определено относительное приращение максимального значения параметра после погружения к максимальному, измеренному перед погружением, отнесенное к максимальному значению перед погружением: ∆Т_а=(Т_{а пос}–Т_{а исх})/Т_{а исх} (%). Аналогично рассчитаны величины относительных приращений для спирометрических показателей ∆ЖЕЛ, ∆ФЖЕЛ, ∆ОФВ 1 , ∆ОФВ 1 /ФЖЕЛ, ∆СОС 25–75 , ∆ПОС выд . Полученные приращения сопоставлены с 99 % пределом естественного внутрииндивидуального разброса, который определен как 1,99∙CV, где CV (%) – индивидуальный коэффициент вариации параметра по попыткам маневров перед погружением. В связи с отсутствием межсессионных оценок вариабельности исследуемого акустического параметра дополнительно минимальное значение индивидуального порога для ∆T_a ограничено полученным ранее фиксированным значением 19,6 % [12].

Величины ∆Ta, превысившие по абсолютной величине индивидуальные/мини-мальные пороги, отмечены у 7 водолазов (28 %) и представлены в табл. 1. Во всех случаях отмечено удлинение продолжительности трахеальных шумов ФВ. Данная частота встречаемости акустических признаков на- рушений вентиляционной функции легких (предположительно обструктивного типа) существенно не различается с обнаруженной ранее при использовании дыхательных аппаратов замкнутого типа прошлого поколения [12], в то время как нами предполагалось меньшее негативное влияние новых дыхательных аппаратов на вентиляционную функцию легких, так как в отличие от аппаратов прошлого поколения, содержащих и регенеративное вещество, и поглотитель, современные содержат только поглотитель.

Таблица 1

Значимая индивидуальная динамика продолжительности трахеальных шумов ФВ у водолазов после спуска в дыхательных аппаратах замкнутого типа, %

Показатель	№ водолаза
	1	2	3	4	5	6	7
Порог 1,99∙CV(T a )	22,8	3,4 (19,6)	19,6	10,5 (19,6)	14,0 (19,6)	33,2	10,7 (19,6)
∆T а	27,2	49,4	21,6	38,7	31,6	46,5	33,8

Мы сравнили подгруппы водолазов с наличием значимой индивидуальной акустической динамики (∆Та) и отсутствием таковой и не обнаружили достоверной разницы по таким факторам, как длительность погружения (р=0,08), глубина погружения (р=0,42), а также величина гидростатического давления в зависимости от глубины погружения водолаза (р=0,13). При сравнении же акустических и спирометрических показателей после погружения водолазов в данных подгруппах выявлено значимое различие динамики как акустического (∆Та), так и спирометрических скоростных показателей (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение динамики акустических и спирометрических показателей после погружения у групп водолазов со значимой акустической динамикой ∆Т а и без таковой (Me; Q 25 ; Q 75 )

Показатель	Со значимой индивидуальной акустической динамикой, n=7	Без индивидуальной акустической динамики, n=18	р
∆T а , %	38,68; 24,21; 49,44	0,24; -11,54; 8,97	0,00002
∆ЖЕЛ, %	0,93; 0,00; 2,77	-1,01; -1,98; 2,69	0,198
∆ФЖЕЛ, %	-0,15; -0,55; 2,32	0,13; -0,58; 2,03	0,574
∆ОФВ 1 , %	-2,87; -3,86; -0,65	1,32; -0,58; 2,03	0,006
∆(ОФВ 1 /ФЖЕЛ), %	-2,96; -3,81; -1,84	0,47; -2,21; 2,43	0,021
∆СОС 25–75 , %	-9,62; -12,66; -7,04	0,02; -6,33; 8,08	0,008
∆ПОС выд , %	2,01; -3,95; 2,95	1,46; -4,51; 6,17	0,929

Примечание. Выделены статистически значимые различия, р<0,05.

Для подтверждения взаимосвязи выявленных индивидуальных изменений акустического параметра с изменениями вентиляционной функции легких водолазов мы провели корреляционный анализ между акусти- ческим и спирометрическими показателями, а также специфическими факторами, воздействующими на функцию дыхания и способными вызывать ее изменения (табл. 3). Обнаружена разнонаправленная корреляционная связь преимущественно средней силы между продолжительностью трахеальных шумов ФВ (Та) и показателями вентиляционной функции легких: ОФВ1, ОФВ1/ФЖЕЛ, СОС25–75, а также положительные корреляционные взаимосвязи Та со стажем погружений водолазов. Помимо этого, для индивидуального стажа погружений водолазов имеется взаимосвязь средней силы со спирометрическими показателями, измеренным до погружения (для ОФВ1/ФЖЕЛ r=-0,48, для ЖЕЛ r=0,65 и для ФЖЕЛ r=0,58). Значима корреляция интегрального показателя (величина гидростати- ческого давления (кПа) на определенной глубине погружения × длительность погружения (мин)) и ∆ОФВ1/ФЖЕЛ (%) (r=0,40). Корреляционные взаимосвязи средней силы выявлены между ∆Tа (%) и динамикой спирометрических показателей по группе (табл. 3).

Таким образом, установленные корреляции свидетельствуют о связи обнаруженных акустических индивидуальных изменений ∆T а , возникших под воздействием текущих факторов погружения, с изменениями спирометрических показателей вентиляционной функции легких.

Таблица 3

Коэффициенты корреляции Спирмена акустических параметров со спирометрическими показателями, специфическими факторами в динамике до и после погружения водолазов, n=25

Показатель/фактор	До погружения, т . а исх	После погружения, т а пос	В динамике, ∆T а , %
ЖЕЛ	0,15	0,063	-
ОФВ 1	-0,40	- 0,45	-0,59
ФЖЕЛ	0,10	-0,01	-0,03
ОФВ 1 /ФЖЕЛ	-0,73	-0,69	- 0,44
ПОС	-0,35	-0,21	0,04
СОС 25–75	-0,73	-0,73	-0,52
Глубина погружения, м	-0,16	-0,07	0,14
Время погружения, мин	0,02	-0,20	-0,31
Величина гидростатического давления, кПа	-0,16	-0,07	0,14
Интегральный показатель	-0,01	-0,16	-0,17
Стаж погружений, ч	0,41	0,22	-0,12

Примечание. Выделены статистически значимые коэффициенты корреляции, р<0,05.

Параметры 200-герцовых полосовых энергий трахеальных шумов ФВ для оценки различных вариантов воздействий в группах измерялись впервые (табл. 4).

При постуральном моделировании воздействия невесомости в течение 3 сут наблюдаются значимое (p<0,05) снижение среднечастотного параметра AR 800–1000 и увеличение высокочастотных AR 1400–1600 и AR 1600–1800 .

При бронходилятационной пробе также отмечается существенное увеличение пара- метра AR1600–1800, в то время как при однократном погружении под воду в современном водолазном снаряжении замкнутого типа – значимое снижение параметра AR1400–1600.

При оценке влияния долговременного моделирования невесомости и лунной гравитации применение удельных полосовых энергий позволило обнаружить более контрастные различия этих вариантов воздействий, чем было найдено ранее при анализе по параметру Ta [16]. Так, обнаружено значимое увеличение AR200–400 при моделировании невесомости в сравнении с моделированием лунной гравитации на 9, 14 и 20-е сут эксперимента. Похожая тенденция наблюдается и для AR800–1000, а с меньшей выраженностью – и для AR1000–1200. В более высокочастотных полосах при моделировании невесомости наблюдается обратная динамика: снижение AR1200–1400 и AR1400–1600 на 9-е и 20-е сут эксперимента.

Таблица 4

Параметр	Воздействие
	Водолазное погружение, n=25	Моделирование невесомости, n=11	Бронходилятационная проба, n=29
AR 200–400	0,4593	0,8589	0,5963
AR 400–600	0,3395	0,8589	0,4958
AR 600–800	0,7775	0,4769	0,2654
AR 800–1000	0,8612	0,0164	0,1766
AR 1000–1200	0,0780	0,0505	0,3147
AR 1200–1400	0,1425	0,2860	0,5096
AR 1400–1600	0,0303	0,0033	0,8036
AR 1600–1800	0,6766	0,0208	0,0169
AR 1800–2000	0,8824	0,3739	0,9053

Примечание. Выделены значимые различия между параметрами, p<0,05.

Статистические различия удельных полосовых энергий в группах при различных воздействиях

Следовательно, удельные 200-герцовые полосовые энергии шумов ФВ средне- и высокочастотного диапазонов оказались чувствительны к рассмотренным типам физических и медикаментозных воздействий. Интересно, что при различных типах воздействий наблюдаются разнородные изменения как по полосе частот, так и по направленности параметра. Это предполагает возможность выявления специфических изменений акустических параметров, характерных для каждого из воздействий.

Выводы:

• 1.    Выявлена значимая индивидуальная динамика продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха после погружения в современном дыхательном снаряжении замкнутого типа у 28 % (7/25) водолазов.

• 2.    Обнаружены разнонаправленные корреляционные взаимосвязи между динамикой продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха со специфическими фак-

• торами погружения и динамикой спирометрических показателей, отражающих состояние вентиляционной функции у водолазов.

• 3.    Установлено, что удельные полосовые энергии шумов форсированного выдоха характеризуются разнонаправленной чувствительностью к исследуемым экстремальным воздействиям: при постуральном моделировании невесомости в течение 3 сут выявлено снижение удельной энергии в полосе частот 800–1000 Гц и рост – в полосах 1400–1600, 1600–1800 Гц; при бронходилятационной пробе обнаружен рост удельной энергии в полосе частот 1600–1800 Гц, а при водолазном погружении – снижение энергии в полосе частот 1400–1600 Гц.

• 4.    Мониторинг изменений вентиляционной функции легких с помощью акустических параметров шумов форсированного выдоха перспективен для индивидуального контроля состояния человека при экстремальных воздействиях.