Матрицы межаттракторных расстояний в оценке эффективности влияния дозированных физических нагрузок на организм человека (13.03.2012)

Автор: Козлова Виктория Викторовна

Сравнивая параметры динамики ВСОЧ в фазовом пространстве состояний в условиях влияния мышечной нагрузки на организм, идентифицировать наличие параметров порядка для оценки степени детренированности организма жителей Югры и установить наиболее важные диагностические признаки ВСС (параметры порядка) при проведении дозированных физических нагрузок на разные группы испытуемых.

Методом многомерных фазовых пространств установить особенности в динамике поведения ВСОЧ мужского и женского населения Югры при выполнении физических нагрузок.

Научная новина работы:

Изучена взаимосвязь между возрастными изменениями НМС и спектральной характеристикой тремора конечностей и на этой основе впервые выявлены наиболее информативные составляющие спектра тремора при разных режимах нагрузки.

Выполнено сравнение эффективности оценки влияния произвольного управления (непрямого контроля) на параметры тремора в физиологии спорта.

С использованием метода многомерных фазовых пространств у лиц с разной степенью тренированности установлен характер связей между показателями КРС и НМС при различных видах нагрузки.

В условиях выполнения физических нагрузок выявлены закономерности изменения параметров квазиаттракторов поведения вектора состояния организма тренированных и нетренированных молодых жителей ХМАО-Югры, а также произведена оценка степени влияния гипокинезии на организм в условиях Севера РФ.

С позиций компарментно-кластерного подхода разработаны математические критерии для оценки влияния мышечной нагрузки на параметры ВСОЧ.

Предложен метод идентификации наличия маркеров по степени детренированности (оценивается межаттракторными расстояниями в динамике поведения вектора состояния организма жителей Югры) в фазовом пространстве состояний.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Разработаны, запатентованы и внедрены в практику алгоритмы и программные продукты для анализа биомеханических показателей человека, которые позволяют более точно производить анализ нормального или патологического изменения треморограмм человека, параметров функциональных систем в условиях покоя и дозированных нагрузках, в условиях статических и динамических нагрузок в зависимости от возрастных и половых особенностей регуляции движений.

Разработанный биофизический измерительный комплекс (БИК) может быть использован в практической работе физиолога и медика для автоматизированной оценки двигательных функций (при профессиональном отборе, при допуске на работу и при контроле состояния человека-оператора; для оценки точности и координации целевых движений в спорте).

Авторские алгоритмы и компьютерные программы позволяют идентифицировать основные функции организма учащихся в различных физиологических и климатических условиях, что обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма.

Разработанные системные методы оценки показателей состояния вегетативной (симпатической и парасимпатической) нервной системы (ВНС) позволяют внедрять их в практику работы органов управления образования для оценки степени утомления учащихся в ходе учебы, выбирать оптимальную траекторию учебных нагрузок у учащихся по различным видам учебной деятельности. В качестве индикатора влияния экологических факторов и условий жизни на состояние показателей КРС и НМС можно эффективно использовать матрицы межаттракторных расстояний.

Основные положения, выносимые на защиту:

Спектральные характеристики непроизвольных движений верхних конечностей (тремора) могут быть использованы в качестве маркера пубертатного периода и маркера развития степени утомления (на основе анализа интервала до 15 Гц и около 10 Гц в, частности). Для оценки влияния статической нагрузки на НМС достаточен анализ амплитудно-частотных характеристик микродвижений конечности в области 2 Гц и 10 Гц.

Используя данные параметров квазиаттркторов и матриц межаттракторных расстояний ВСОЧ (например, СИМ, ПАР, ИНБ) можно оценивать степень эффектов гипокинезии у жителей ХМАО-Югры.

Разработаны математические методы оценки влияния мышечных нагрузок на параметры ВСОЧ в рамках ТХС.

Расчет расстояний zij между центрами квазиаттракторов обеспечивает идентификацию степени детренированности (гипокинезии) испытуемых в условиях Севера РФ.

Матрицы межаттракторных расстояний можно эффективно использовать в качестве индикатора влияния экологических факторов и условий жизни на состояние показателей КРС и НМС.

Декларация личного участия автора заключается в получении первичных данных мониторинга двигательных функций человека, а также показателей сердечно-сосудистой системы разных возрастных групп; в анализе современного состояния проблемы; с непосредственным участием автора разработаны методы оценки параметров квазиаттракторов и выполнены исследования характера динамики параметров КРС человека в многомерном фазовом пространстве; в построении моделей. Автором самостоятельно осуществлена статистическая обработка материалов, их интерпретация и анализ данных. В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 50-70%.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: III-м Конгрессе молодых исследователей Западно - Сибирского Региона (Сургут, 1999); Всероссийской научно-практической конференции “Медико-биологические и экологические проблемы здоровья человека на Севере” (Сургут, 2000); Конференции “Наука и инновация XXI века” (Сургут, 2005, 2006, 2007); материалы международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005); International conference on modeling and simulation (Minsk, 2005); Всероссийской конференции “Экологическое образование и здоровый образ жизни” (Сургут, 2005); Открытой окружной конференции «Спасти и сохранить» (Сургут, 2006); Международном междисциплинарном симпозиуме «От экспериментальной биологии к превентивной и интегративной медицине» (Судак, 2006); Всероссийской научной конференции (Самара, 2008); Всероссийской конференции «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях» (Нижний Новгород, 2011); XV-й международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2009); международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (Благовещенск, 2009, 2010, 2011); Кафедральных семинарах и в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при Сургутском государственном университете.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе: 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ, 1 патент на изобретение, 2 учебно-методических пособия, 2 монографии, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для соискания ученой степени доктора биологических наук и 21 статья в различных научных журналах, и материалах отечественных и международных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа содержит 283 страницы машинописного текста. Она выполнена в традиционном стиле и состоит из введения, главы по анализу современного состояния проблемы, главы описания объектов и методов (в том числе авторских) исследования, четырех оригинальных глав, содержащих результаты собственных наблюдений, заключения, выводов, списка литературы. Работа содержит 28 рисунков и 31 таблицу. Список используемой литературы включает в себя 268 источников, в том числе 56 на иностранном языке.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование параметров движения вектора х=х(t)=(x1,x2,…,xm)T организма человека в фазовом пространстве состояний (ФПС) производилось в рамках традиционной статистики и методами теории хаоса и синергетики. В рамках ТХС нами идентифицировались параметры квазиаттракторов, которые (как было установлено) существенно отличаются у учащихся разных возрастных групп.

Для идентификации компонент xi в наших исследованиях применялся пульсоксиметр «ЭЛОКС-01С2», разработанный и изготовленный ЗАО ИМЦ Новые Приборы, г. Самара. В устройстве применялся оптический пальцевый датчик (в виде прищепки), с помощью которого происходила регистрации пульсовой волны с одного из пальцев кисти. Технически он выполнен с применением оптических излучателей и фотоприемника двух типов: в ближнем инфракрасном и красном спектре диапазона световой волны, которые дают возможность непрерывно определять значения степени насыщения гемоглобина крови кислородом, в %, а также значения частоты сердечных сокращений.

Прибор снабжен программным продуктом «ELOGRAPH», который в автоматическом режиме позволяет отображать изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов. Выполнена некоторая модификация программы в отношении усреднения показателей симпатической и парасимпатической вегетативной нервной системы, что обеспечивает представление процессов на фазовой плоскости или в m-мерном фазовом пространстве в виде динамики хаотичных процессов.

Использование данной методики и аппаратуры для исследования показателей пульсоинтервалографии производилось в положении испытуемого сидя в относительно комфортных условиях. С целью исключения артефактов и нивелировки влияния отрицательных обратных связей на съем информации, регистрировался пятиминутный интервал измерений кардиоинтервалов (КИ).

Таким образом, используя метод вариационной пульсометрии и выполняя анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) во временной и частотной областях, можно получить информацию, характеризующую процессы управления основными жизненными функциями организма человека под воздействием экофакторов или физических нагрузок.

В процессе выполнения наших исследований непроизвольных движений (тремора) было установлено, что использование датчиков токовихревого типа, разработанных в ЛББСС при СурГУ гарантирует достаточно высокую точность измерений. Это обеспечивает широкий диапазон частот регистрируемого тремора и полную обработку информации. Принцип его работы заключается в использовании сигналов от двух токовихревых датчиков, между которыми помещается исследуемый объект для измерения его микроперемещений. Обработку сигналов с датчиков производили с использованием запатентованной программы, обеспечивающей получение спектральных характеристик и их анализ в фазовом пространстве состояний.

Алгоритм выполнения процедуры основывается на следующих шагах:

-го испытуемого.

- ширина фазовой области k-го квазиаттрактора, для k-го массива данных, в проекции на i-ую координату, т.е. ширина грани m-мерного параллелепипеда.

-го испытуемых из k-го массива данных.

по 5-ти координатам, показатели асимметрии Rx, а также рассчитывался общий объем m-мерного параллелепипеда V (General value), ограничивающего квазиаттрактор ВСОЧ. Были получены таблицы данных, представляющие размеры ?xі и показателя асимметрии Rx для каждой координаты хі и объемы параллелепипедов Vx .

-го хаотического (или стохастического) квазиаттракторов количественно представляют степень близости (или, наоборот, удаленности) этих 2-х сравниваемых квазиаттракторов в фазовом пространстве состояний, что является интегративной мерой оценки состояния КРС или НМС человека, находящегося в различных экологических условиях или в разных возрастно-половых группах или при других различиях.

Результаты исследований и их обсуждение

В процессе выполнения наших исследований непроизвольных движений (тремора) в условиях дозированных физических нагрузок было установлено, что использование датчиков токовихревого типа совместно с разработанным информационным комплексом гарантирует достаточно высокую точность измерений. Он обеспечивает широкий диапазон частот регистрируемого тремора и полную обработку информации.

Разработанная аппаратура и программное обеспечение были апробированы в биологических исследованиях на учащихся МОУ гимназии №4 г. Сургута, а также на студентах 3-5 курсов ГОУ ВПО «Сургутский государственный университет» (30 девушек и 30 юношей). Для выявления возрастных различий в треморограммах было обследовано 360 человек (150 девочек и 150 мальчиков в возрасте 7-16 лет и 30 девушек и 30 юношей 18-20 лет). В связи с тем, что более яркие адаптивные проявления в работе нервно-мышечной системы можно проследить в условиях нагрузки, эти же учащиеся и студенты обследовались для изучения влияния статических нагрузок на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) треморограмм.


загрузка...