Спирометрические и акустические показатели форсированного выдоха у женщин в условиях 9-суточной изоляции

Введение. Оценка функции внешнего дыхания является частью медицинского контроля, а также самостоятельным направлением исследований для выявления физиологических изменений у человека, находящегося в условиях изменённой среды обитания. В то же время проведение комплексной оценки респираторной функции в реальных, а не экспериментальных условиях сопряжено с рядом трудностей и не всегда целесообразно. Поиск простых и эффективных инструментов мониторинга вентиляционной функции лёгких остаётся актуальной задачей.

Акустический метод оценки вентиляционной функции был разработан в ТОИ ДВО

РАН и показал высокую эффективность при обнаружении изменений обструктивного характера, в т.ч. нерегистрируемых спирографией [1, 2]. Основным измеряемым показателем служит длительность шумов форсированного выдоха (ФВ), увеличение которой по сравнению с нормой является признаком обструкции. В отличие от спирометрии, акустический метод не требует калибровки датчиков и соблюдения специальных гигиенических условий, исключает воздушно-капельное инфицирование обследуемых.

Цель исследования. В настоящей работе проведена оценка вентиляционной функции у женщин во время 9-суточной изоляции в рамках научного эксперимента «Луна–2015», организованного на базе ГНЦ РФ – Института медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ – ИМБП РАН). Изоляция в гермообъекте имитировала полёт женского экипажа к Луне. Представлены результаты обследований, особенностью которых была одновременная регистрация акустических и спирометрических параметров. Данная методика позволяет установить связь между акустической длительностью шумов ФВ и показателями спирометрии. Таким образом, цель исследования состояла в контроле вентиляционной функции во время изоляции и сравнении результатов, полученных этими методами.

Ранее акустический метод применялся в ГНЦ РФ – ИМБП РАН в условиях гипербарии и изменённого газового состава среды, в водной и сухой иммерсии, в 520-суточной изоляции (эксперимент «Марс-500») [3–8]. Однако одновременные спирометрические и акустические измерения и сопоставление полученных данных проводились пока только для иммерсионных экспериментов. Данные, полученные в условиях изоляции, необходимы для отработки методик контроля за состоянием экипажа, а также для обоснованного выбора оптимальных методов мониторинга в условиях изменённой среды, в т.ч. в длительных космических полётах.

Материалы и методы. В экспериментальную группу вошли шесть практически здоровых женщин – участниц 9-суточной изоляции в наземном экспериментальном комплексе ГНЦ РФ – ИМБП РАН. Программа исследований была одобрена комиссией по биоэтике ИМБП. Все обследуемые дали информированное согласие на проведение эксперимента. Средний возраст женщин составил 29,7±3,9 года (от 25 до 35 лет), средний рост – 162,5±8,9 см.

Параметры среды (давление, влажность, температура, газовый состав воздуха) во время изоляции в среднем соответствовали обычным условиям для жилых помещений, так как в комплексе осуществлялась естественная вентиляция.

До начала изоляции провели две серии фоновых обследований с 3-недельным интервалом. Участниц обучали правильному вы- полнению методик, так как во время изоляции все тесты выполнялись ими самостоятельно под контролем врача экипажа. Были проведены две серии исследований на 4-е и 7-е сут изоляции соответственно и одна серия – на 3-й день после её окончания (+3 сут). Дыхательные манёвры выполнялись в положении сидя. В каждой серии манёвр ФВ повторяли 5 раз (при необходимости больше, но не более 8 раз). Перед форсированной спирометрией два раза повторяли манёвр жизненной емкости легких (ЖЕЛ).

Контрольная группа состояла из четырёх женщин-добровольцев, которые во время эксперимента вели привычный образ жизни. Средний возраст в этой группе составил 32,7±9,0 года (от 25 до 42 лет), средний рост – 168,0±11,7 см. Обследования проводились в те же дни, что и в основной группе: первые три серии (две фоновых и на 4-е сут изоляции) у всех участниц контрольной группы, четвёртая серия (соответствующая 7-м сут изоляции) – у 3 чел. Последняя серия, соответствующая 3-м сут последействия, в контрольной группе не проводилась.

Обследование начиналось с тестов ЖЕЛ, после чего переходили к методике одновременной регистрации трахеальных шумов и скорости дыхательного потока во время ФВ. Обследуемый делал глубокий вдох, подключался к трубке датчика потока спирографа «Этон-01» («Этон», Россия) и выполнял манёвр ФВ. Так как во время изоляции прибор «Этон-01» находился в гермообъекте, спирометрия в контрольной группе в этот период проводилась на приборе Master Screen (Viasys Healthcare GmbH).

Аппаратура для регистрации акустических сигналов представляла собой USB-приставку к ноутбуку, состоящую из электретного микрофона со стетоскопической насадкой и звуковой карты. Перед началом ФВ обследуемый устанавливал микрофон на область гортани справа спереди от грудинно-ключично-сосцевидной мышцы и до окончания записи удерживал его рукой, плотно прижимая к шее. Запись и анализ звуковых файлов проводились в программе SpectraPlus (вер.5.0, Sound Technology Inc, USA). Результаты оценивали по наилучшему манёвру ФВ с максимальными показателями суммы форсированной жизненной ёмкости лёгких (ФЖЕЛ) и объёма ФВ за 1-ю с (ОФВ1), удовлетворяющему критерию воспроизводимости: в лучших пробах ФЖЕЛ и ОФВ1 отличаются не более чем на 200 мл. Анализировали динамику следующих показателей: ФЖЕЛ, ОФВ1, пиковая объёмная скорость (ПОС), максимальные объемные скорости на уровнях 25, 50 и 75 % ФЖЕЛ (МОС25, МОС50, МОС75), средняя объёмная скорость выдоха на уровне 25–75 % ФЖЕЛ (СОС25–75), индекс Тиффно (отношение ОФВ1 к ФЖЕЛ). Для интерпретации результатов использовалась шкала должных по Клементу, реализованная в спирографах «Этон» [9].

Длительность трахеальных шумов ФВ (Та) определяли для всех воспроизводимых попыток. Первичная обработка акустических сигналов включала оценку на слух для исключения записей, содержащих посторонние шумы. Сигналы пропускали через цифровой фильтр с центральной частотой 1,1 кГц и шириной 1,9 кГц; таким образом, анализ проводился в полосе 200 Гц – 2 кГц. Значения Та определяли по падению уровня сигнала до максимального уровня фоновых шумов в условиях эксперимента – 60–70 дБ.

Статистический анализ выполнялся в пакете Statistica 8.0 (StatSoft, Inc). Значимыми считали различия при р<0,05. Динамику показателей в сериях измерений оценивали по тесту Фридмана. При выявлении значимых различий серии сравнивали по критерию Уилкоксона, с контрольной группой – по критерию Манна–Уитни.

Результаты и обсуждение. Статистический анализ показал отсутствие значимых различий по всем исходным показателям между экспериментальной и контрольной группами. В контрольной группе значимых изменений акустических и спирометрических показателей во время эксперимента выявлено не было.

Исходные (фоновые) значения основных объёмно-скоростных показателей спирометрии у всех женщин были в пределах нормы. У участниц изоляции ЖЕЛ составила 85– 114 %, ФЖЕЛ – 79–121 %, ОФВ1 – 82–120 %, ПОС – 84–130 % от должных. Во время изоляции и после неё эти показатели также не выходили за пределы нормальных значений. Значения МОС25 у всех женщин также были в норме и составили 70–130 % от должных.

В табл. 1 представлены индивидуальные величины ЖЕЛ всех обследованных женщин.

Таблица 1

Величины ЖЕЛ участниц экспериментальной (exp) и контрольной (control) групп, л

Группа	ФОН1	ФОН2	4 СУТ	7 СУТ	+3 СУТ	Должн.	Повт.%
1 exp	3,61	3,69	3,59	3,44	3,40	3,31	2,2
2 exp	3,10	3,33	3,12	3,10	3,08	3,66	7,4
3 exp	4,23	4,83	4,62	4,67	4,58	4,23	14,8
4 exp	3,87	3,93	3,73	3,78	3,62	3,63	1,6
5 exp	3,71	3,51	3,53	3,51	3,34	3,31	5,4
6 exp	3,35	3,79	3,61	3,54	3,54	3,62	13,1
1 control	3,31	3,35	3,61			3,77	1,2
2 control	3,87	3,94	4,18	4,01		3,99	1,8
3 control	3,59	3,49	3,77	3,71		3,13	2,8
4 control	5,42	5,31	5,54	5,32		4,25	2,0

Примечание. Повт.% – повторяемость показателя по данным двух фоновых обследований.

У 3 участниц изоляции повторяемость ЖЕЛ в фоновых обследованиях оказалась низкой: колебания показателя превысили нормативное значение 6,8 % [9, 10], при этом ЖЕЛ, измеренная во 2-м фоновом обследовании, была выше, чем в других сериях. Такая же динамика наблюдалась у 2 других участниц. Таким образом, у 5 женщин экспериментальной группы ЖЕЛ во 2-м фоновом обследовании была выше, чем в последующих сериях. В среднем увеличение составило 5– 7 %, что находится в пределах нормальной вариабельности и не имеет диагностического значения [10]. Однако объяснить значительные индивидуальные изменения на основе имеющихся данных не представляется возможным. Так как 2-е фоновое обследование проводилось незадолго до старта изоляции – на этапе окончательного отбора участниц, на результаты могли повлиять в т.ч. и психологические факторы.

В экспериментальной группе не выявлено значимой динамики ПОС, ОФВ1/ФЖЕЛ и акустической длительности шумов ФВ, однако получены значимые изменения ФЖЕЛ, ОФВ1, МОС50, СОС25–75 (тест Фридмана). Наблюдалось снижение ряда показателей ФВ на 7-е сут изоляции (в скобках указана разница в средних по группе): ФЖЕЛ (7 %),

ОФВ1 (5,5 %) по сравнению с 4-ми сут изоляции; ОФВ1 (6,5 и 10 %), МОС50 (16 и 15 %), СОС25–57 (14 и 15 %) по сравнению с данными 1-го и 2-го фоновых обследований соответственно; МОС50 (16 %), СОС25–75 (12,6 %) по сравнению с последействием.

Кроме того, значения ОФВ1 при 2-м фоновом обследовании были значимо выше (максимально на 10 %), чем в остальных сериях, что аналогично изменениям, полученным для ЖЕЛ.

Обнаруженные изменения средних показателей не превышают установленный диапазон повторяемости и не имеют клинического значения [10]. В то же время синхронные изменения в экспериментальной группе могут косвенно указывать на наличие факторов, влиявших на результаты тестов.

Сравнение величин относительных изменений с изменениями, полученными в соответствующих сериях у контрольной группы, показало, что значимым является только снижение ФЖЕЛ на 7-е сут изоляции по сравнению с 4-ми сут (р=0,019). Таким образом, можно говорить о некотором влиянии условий пребывания в изоляции на данный показатель. Динамика ФЖЕЛ в ходе эксперимента показана на рис. 1.

Рис. 1. Динамика ФЖЕЛ у женщин – участниц изоляции (слева) и снижение ФЖЕЛ на 7-е сут изоляции по сравнению 4-ми сут (справа).

Представлены медианы, 25–75 % интервалы, минимальные и максимальные значения. Показатели даны в процентах от должных

Несмотря на то что, по данным мониторинга, параметры среды в гермообъекте во время изоляции находились в пределах допустимых норм, многие участницы отмечали появление дискомфорта, связанного с повышенной сухостью воздуха. Также нельзя исключить возможность локального ухудшения параметров среды в отдельных отсеках комплекса. Эти факторы могли повлиять на точность выполнения дыхательных манёвров, в т.ч. на способность выполнить полный вдох и максимальный выдох.

Одним из критериев правильности выполнения дыхательных манёвров являются близкие значения показателей ЖЕЛ и ФЖЕЛ. Во время изоляции тесты спокойного дыхания и манёвр ФВ проводились в одни и те же дни, но в разное время, поэтому непосредственное сравнение показателей не вполне кор- ректно. Тем не менее следует отметить, что на 7-е сут изоляции у половины женщин наблюдалось значительное превышение ЖЕЛ над ФЖЕЛ – на 270, 410 и 460 мл, что может говорить о неправильной технике выполнения ФВ. Подобная ситуация наблюдалась во время 2-го фонового обследования: у трёх участниц ЖЕЛ больше ФЖЕЛ на 300, 300 и 500 мл, однако в последнем случае причиной различий могли быть простудные явления, отмеченные участницами и затруднявшие выполнение манёвра ФВ.

На рис. 2 показана групповая динамика акустической длительности трахеальных шумов ФВ и индекса ОФВ1/ФЖЕЛ во всех сериях эксперимента. В среднем по группе ухудшения бронхиальной проходимости во время изоляции не выявлено.

Рис. 2. Групповая динамика Та и индекса Тиффно в экспериментальной группе.

Представлены медианы, 25–75 % интервалы, минимальные и максимальные значения. Значимых изменений не выявлено

Индекс Тиффно у 7 участниц был в пределах 82–97 % во всех сериях обследований. У 3 женщин отмечалось некоторое снижение индекса в пределах условной нормы – до 74– 82 %. За границу нарушений принимали значение индекса Тиффно, равное 70 % [9, 10].

Начиная со второго фонового обследования у одной участницы изоляции отмечено снижение до границ условной нормы показателей МОС50 и МОС75 (55–65 % от должных) и индекса Тиффно (74–77 % от должных). Наиболее низкие значения МОС50, МОС75, СОС25–75 (менее 60 %) наблюдались на 7-е сут изоляции, тогда как в периоде последействия эти показатели выросли почти до исходных цифр – в среднем до 70 %. Также у этой участницы наблюдалось заметное увеличение длительности трахеальных шумов ФВ во время изоляции и в периоде последействия – до 2,5–3,0 с. Такие изменения могут говорить о некотором ухудшении вентиляции, не связанном с пребыванием в гермообъекте.

У двух женщин из контрольной группы относительно низкие значения индекса Тиффно (менее 75–80 %) также коррелировали с повышенной длительностью шумов ФВ (Та более 2 с).

В табл. 2 приведены результаты расчёта коэффициента корреляции Спирмена между акустической длительностью трахеальных шумов ФВ и показателями спирометрии. Для анализа использовались данные всех участниц по всем сериям эксперимента.

Таблица 2

Коэффициент корреляции Спирмена между длительностью трахеальных шумов ФВ и показателями спирометрии

	ФЖЕЛ	ОФВ1	ПОС	МОС25	МОС50	МОС75	СОС25–75	ОФВ1/ФЖЕЛ	Тфжел
r	0,369	0,062	0,315	-0,139	-0,380	-0,788	-0,682	-0,827	0,760
p	0,013	0,686	0,035	0,364	0,010	0,0004	0,0001	0,0001	0,0004

Примечание. Тфжел – время форсированного выдоха.

Высокая корреляция наблюдалась между Та и МОС75, СОС25–75 и Тфжел. Наиболее значима обратная зависимость между длительностью шумов ФВ и индексом ОФВ1/ФЖЕЛ (r=-0,83), что совпадает с результатами, полученными нами ранее в иммерсионных экспериментах [4]. Таким образом, можно ожидать, что относительное увеличение длительности шумов ФВ коррелирует с уменьшением соотношения ОФВ1/ФЖЕЛ и является диагностическим признаком ухудшения бронхиальной проходимости.

Заключение. Основные спирометрические показатели ФВ (ФЖЕЛ, ОФВ1, ПОС) и ЖЕЛ участниц эксперимента до, после и во время изоляции в гермообъекте находились в пределах индивидуальных норм, установленных для здоровых женщин.

По сравнению с контрольной группой, у участниц изоляции наблюдалось статистически значимое уменьшение ФЖЕЛ на 7-е сут изоляции по сравнению с 4-ми сут. Также обнаружено относительное снижение ОФВ1, МОС50, СОС25–75 на 7-е сут изоляции, но по сравнению с контрольной группой эффект не был значимым. Все изменения находились в пределах установленной повторяемости показателей и не имеют клинического значения. Возможно, локальное ухудшение параметров среды в гермообъекте (духота или сухость воздуха, которую отмечали некоторые участницы) затрудняло выполнение дыхательных тестов, что привело к занижению объёмноскоростных показателей, в наибольшей степени зависящих от приложенного усилия и точности выполнения манёвров.

По результатам обследований, в экспериментальной группе не выявлено значимых изменений акустической длительности шумов ФВ и индекса Тиффно; таким образом, пребывание в условиях изоляции не привело к ухудшению бронхиальной проходимости. Статистический анализ данных подтвердил высокую корреляцию между длительностью шумов ФВ и ОФВ1/ФЖЕЛ. Акустический метод можно использовать в качестве базового контроля вентиляционной функции в различных условиях изменённой среды обитания.

Автор благодарит всех участниц эксперимента «Луна – 2015», его организаторов, а также Ю.А. Попову за помощь в подготовке и проведении исследований.