Способ моделирования физиологических эффектов пребывания на поверхности планет с пониженным уровнем гравитации

Способ моделирования физиологических эффектов пребывания на поверхности планет с пониженным уровнем гравитации

Реферат

Изобретение относится космической медицине, в частности к способам моделирования физиологических эффектов пребывания человека продолжительное время на поверхности планет с уровнем гравитации, отличным от земного (Луна, Марс).

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для моделирования физиологических эффектов пониженной гравитации на сердечно-сосудистую систему, в частности перераспределение кровотока между различными частями тела, на систему газообмена в легких и периферических тканях, на динамику водно-электролитного баланса, состояние органов грудной клетки и брюшной полости, на опорно-двигательную систему. Использование данного способа позволит не только оценить возможные физиологические сдвиги в указанных системах, но и влияние этих изменений на процесс функционирования жизненно важных органов. В экспериментальных работах при применении данного способа возможно исследование не только функций отдельных органов и систем в организме испытателя, но и решение комплексных проблем, таких как характеристики операторской деятельности, переносимость физических нагрузок, воздействие на организм различных средств профилактики и др.

Изобретение может быть использовано в клинической медицине для выявления основных закономерностей развития гравитационно-зависимых патологических процессов, разработки методов профилактики ортостатических нарушений у пациентов с дисфункцией вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы.

В настоящее время известен ряд способов моделирования эффектов измененной гравитации в наземных условиях.

Наиболее близким по принципу реализации и используемому оборудованию является способ длительного моделирования влияния невесомости на человеческий организм в наземных условиях с помощью постельного режима в антиортостатическом положении (антиортостатическая гипокинезия - АНОГ) с малым отрицательным углом наклона тела испытуемого относительно горизонтальной оси -5÷10° (Коваленко Е.А. Основные методы моделирования биологических эффектов невесомости // Космическая биол., 1977, т.11, №4. - С.3-9; Лобачик В.И., Жидков В.В., Абросимов С.В. Состояние жидкостных фаз тела в динамике 120-суточной антиортостатической гипокинезии // Космич. биология и авиакосмич. медицина. 1989, т.23, №5. - С.57-61).

Главным отличием данного способа является моделирование уровня гравитации, близкого к нулевому. Он не позволяет моделировать изменения в физиологических системах, характерных для пребывания на поверхности планет.

Кроме того, использование данного способа имеет определенные проблемы при необходимости перевода испытуемого в ортостатическое положение, поскольку при быстром подъеме в вертикальное положение могут возникать гемодинамические нарушения вплоть до ортостатического коллапса.

Достаточно похожим на описанный выше является способ моделирования физиологических эффектов микрогравитации путем помещения человека на непродолжительное время в антиортостатическое положение с углом наклона тела до -15°, который дает возможность быстрого достижения эффектов микрогравитации (Ничипорук И.А., Ларина И.М., Носков В.Б., Моруков Б.В., Пастушкова Л.Х., Васильева Г.Ю. Изменения жидкостных сред и водно-солевого обмена в условиях антиортостатической гипокинезии и пассивных постуральных проб при разных уровнях гидратации организма // Мат-лы Международной конференции «Медико-биологические аспекты действия физических факторов», Минск, «Бизнесофсет», 2006. - С.247-249).

Основным недостатком известного способа является отсутствие возможности длительного моделирования физиологических эффектов микрогравитации и поддержания полученных физиологических изменений продолжительное время, поскольку длительное воздействие отрицательного угла наклона тела (-15° или меньше) относительно горизонтальной оси вызывает неблагоприятные симптомы, выражающиеся в постоянном ощущении тяжести в голове, головной боли, отечности лица, заложенности носа, снижении остроты зрения и слуха, парестезии и онемении ног, затруднении дыхания, что небезопасно для испытуемого и сокращает продолжительность проведения таких модельных исследований временным интервалом от нескольких часов до суток.

Кроме того, недостатком этого способа, так же как и предыдущего, является то, что изменения в организме испытуемого соответствуют уровню гравитации, близкому к нулевому, характерному для пребывания человека в условиях космического полета на орбитальной станции или межпланетном корабле, а не на поверхности планет.

Нельзя не учитывать, что использование данного способа позволяет оценить только острые изменения в организме испытуемого в ответ на воздействие.

Широко распространен способ моделирования физиологических эффектов микрогравитации методом «сухой» иммерсии, при котором испытуемый помещается в положении лежа до уровня подмышечных впадин в ванну с водой. При этом он отделен от воды тонкой водонепроницаемой пленкой, площадь которой превосходит в несколько раз площадь поверхности воды в ванне (Шульженко Е.Б., Виль-Вильямс И.Ф. Возможность проведения длительной водной иммерсии методом «сухого» погружения // Космич. биология и авиакосмич. медицина. 1976, т.10, №2. - С.82-84). Модель «сухой» иммерсии более корректно по сравнению с другими моделями (АНОГ, вывешивание) воспроизводит физиологические эффекты микрогравитации на опорно-двигательную систему, так как тело испытуемого практически полностью погружено в иммерсионную среду и подвергается достаточно равномерному воздействию выталкивающей силы воды.

Недостатком известного способа является высокий уровень материальных затрат при его осуществлении, поскольку испытуемый нуждается в постоянном постороннем уходе и контроле со стороны специально подготовленного высококвалифицированного медицинского и технического персонала. Необходимо наличие специально оборудованного иммерсионного стенда, что требует значительных материальных затрат по его техническому оснащению и периодическому техническому обслуживанию. Кроме того, пребывание в условиях «сухой» иммерсии существенно ограничивает возможность использования физических упражнений, как средства профилактики неблагоприятного воздействия гравитационной разгрузки.

К иммерсионным способам моделирования гравитационной разгрузки относится способ моделирования физиологических эффектов микрогравитации путем помещения человека в теплом белье и гидроизолирующем костюме в воду (например, в костюме для космонавтов «Форель», предназначенном для сохранения плавучести при приводнении спускаемого аппарата) и его перевода в вертикальное положение с помощью поддува подголовника костюма объемом воздуха 11-12,5 л (Костюмная иммерсия, авторское свидетельство СССР №1436120, приоритет от 18.08.1986).

Как и у предыдущих способов, он имеет все те же недостатки: ограничение длительности проведения и продолжительности поддержания функциональных сдвигов в организме испытуемого; большие материальные затраты на проведение; отсутствие возможности физических упражнений.

Наиболее близким по возможности изучения воздействия положительного уровня гравитации, отличного от земного, является способ моделирования физиологических эффектов микрогравитации, а именно гемодинамических, с помощью перевода человека в вертикальное положение и помещение его в пневмовакуумный костюм «Чибис», в котором создается положительное давление в диапазоне от +10 до +75 мм рт.ст., что обеспечивает регулируемый обжим мягких тканей живота, таза и нижних конечностей и дает возможность быстрого достижения эффектов микрогравитации и поддержания параметров гемодинамики, адекватных разным уровням пониженной гравитации (Лапаев Э.В., Крылов Ю.В., Кузнецов B.C. Физиология вестибулярного анализатора. Влияние невесомости и гиподинамии на функцию вестибулярного анализатора // Функция слухового и вестибулярного анализаторов при действии факторов авиакосмического полета / Проблемы косм. биол. - Т.47. - М.: Наука, 1983. - Гл.2. - С.140-180).

Очевидно, что к таким недостаткам данного способа, как отсутствие возможности длительного моделирования эффектов микрогравитации, добавляется ограничение подвижности испытуемого. В костюме «Чибис» невозможно свободно передвигаться и спать, так как конструктивно он выполнен в виде брючного каркаса из металлических колец, обшитых воздухонепроницаемой прорезиненной тканью, соединенных с жесткими высокими герметичными ботинками, и, к тому же, присоединен к работающему компрессору. Для отправления естественных физиологических надобностей испытуемый должен полностью снимать пневмовакуумный костюм, в результате чего прекращается действие положительного давления на нижнюю часть тела испытуемого, что приводит к прекращению действия факторов, моделирующих физиологические эффекты микрогравитации.

К недостаткам данного способа можно отнести высокий уровень материальных затрат, поскольку стоимость пневмовакуумного костюма «Чибис» и специального компрессора значительна и испытуемый нуждается в постоянном постороннем контроле со стороны специально подготовленного высококвалифицированного медицинского и технического персонала.

Описан способ моделирования гемодинамических эффектов микрогравитации, включающий перевод испытуемого в антиортостатическое положение на период ночного отдыха, а на период активного бодрствования перед переводом в вертикальное положение используется регулируемый обжим мягких тканей живота, таза и/или нижних конечностей, который осуществляют в антиортостатическом положении с помощью эластичных материалов элементов одежды (например, противоперегрузочного костюма для космонавтов «Кентавр») с разной степенью растяжения-сжатия. Уровень обжима необходимо поддерживать в течение всего периода времени активного бодрствования в вертикальном положении тела (патент Российской Федерации №2474885, приоритет от 25.10.2011).

Недостатком данного способа является отсутствие возможности точного моделирования параметров гемодинамики, поскольку степень регулируемого обжима мягких тканей нижних конечностей определяется только по субъективным ощущениям испытуемого. Также недостатком является многосуточное периодическое сдавление мягких тканей нижних конечностей и живота, что приводит к изменениям местного кровообращения, температурного режима и влажности кожных покровов, подвергаемых обжиму. Это особенно актуально в условиях выполнения регулярных физических нагрузок, во время которых возможно появление потертостей и других повреждений кожных покровов нижних конечностей.

Известен способ моделирования пониженного уровня гравитации с использованием полетов на самолете-лаборатории по параболе Кеплера. Условия невесомости, воспроизводимые на самолете-лаборатории, наиболее близки к условиям реального космического полета и позволяют отрабатывать большинство операций. В зоне выполнения полетов самолет летит горизонтально на высоте шесть тысяч метров. Затем самолет с ускорением начинает набирать высоту под углом 45 градусов. В криволинейном полете на всех присутствующих на борту действуют перегрузки величиной до 2g около 15 секунд. На высоте девять тысяч метров пилот почти полностью убирает тягу двигателей, и самолет продолжает полет по инерции. Как только сила инерции, противоположная по направлению силе тяготения, становится равна ей по величине, то сила тяжести внутри салона самолета-лаборатории становится равна нулю. Невесомость может длиться 22-28 секунд в зависимости от условий выполнения полета. По истечении этого промежутка времени экипаж максимально увеличивает тягу двигателей и переводит самолет в горизонтальный полет на высоте шесть тысяч метров. Моделируемый уровень гравитации, отличный от земного, создается различным по силе притягом испытуемого к платформе (К. Freyler, R. Ritzmann, A. Gollhofer. Postural control in martian, lunar and artificial gravity - sensorimotor training as a countermeasure for long-term space flights / 19th Humans in Space Symposium, 2013. - P.430).

Основным недостатком данного способа является, во-первых, кратковременность воздействия (не более 1 минуты), а во-вторых, при создании ограниченного по величине гравитационного воздействия на опорно-двигательный аппарат с помощью притяга отсутствует возможность моделирования перераспределения жидких сред и гемодинамических эффектов пониженного уровня гравитации. Жидкие среды в организме испытуемого в ходе полетов по параболе испытывают на себе нулевое значение гравитации.

В настоящее время известен, но еще мало используется способ моделирования пониженной гравитации с использованием системы подвесов испытуемого. Заданный уровень пониженной гравитации моделируется при помощи специального костюма, одетого на испытуемого и подсоединенного при помощи троса к подъемному устройству. Данный способ позволяет имитировать локомоции человека (ходьба, бег) на поверхностях планет (Луна, Марс) в процентном соотношении от веса тела испытуемого. При этом вес тела принимается на 100% и соответствует 1g, т.е. земным условиям. Таким образом, для моделирования пребывания человека весом 70 кг в условиях лунной силы тяжести необходимо создание силы вывешивания 16% от веса тела испытуемого, или 42 кг (К. Freyler, R. Ritzmann, A. Gollhofer. Improved postural control in response to a 4-week balance training in simulated martian gravity - a countermeasure for long-term space flights / 19^th Humans in Space Symposium, 2013. - P.44).

Недостатком данного способа является избирательное воздействие, а именно имитация и моделирование локомоторной активности испытуемого в условиях пониженной гравитации, в частности оценка функционирования опорно-двигательной системы, что не позволяет в полной мере оценить физиологические сдвиги в других системах организма.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается:

- в возможности длительного наблюдения эффектов пониженной гравитации в течение длительного времени;

- в возможности уточнения параметров гемодинамики, адекватных разным уровням пониженной гравитации с естественным чередованием фаз сна и бодрствования;

- в повышении безопасности для испытуемого при длительном моделировании эффектов пониженной гравитации;

- в отсутствии механического воздействия на сосуды нижних конечностей и мягкие ткани нижних конечностей и живота.

Сущность изобретения состоит в разработке нового безопасного способа моделирования в наземных условиях пребывания человека на планетах с пониженной гравитацией и оценки эффектов влияния пониженной гравитации на состояние сердечно-сосудистой системы, водно-электролитного обмена, желудочно-кишечного тракта, опорно-двигательного аппарата, а также характеристики выполнения операторской деятельности в условиях пониженной гравитационной нагрузки.

Поставленная задача достигается тем, что способ включает в себя перевод испытуемого в ортостатическое положение с заданным углом наклона тела на период дневного бодрствования. При этом моделирование физиологических эффектов, адекватных разным уровням пониженной гравитации, осуществляется путем соответствующего изменения угла наклона тела испытуемого в ортостатическом положении.

Использование предложенного способа дает возможность оценки физиологических сдвигов в организме при длительном моделировании пребывания человека в условиях действия пониженного уровня гравитации, отличного от земного. Следует отметить, что в период дневного бодрствования в ортостатическом положении испытуемый может выполнять любые действия, будь то проведение необходимых медицинских процедур или же повседневная активность, например чтение книг, просмотр телевизора, работа на компьютере с использованием специального штатива для размещения компьютера, выполнение физических упражнений, использование средств профилактики. При этом угол наклона тела в ортостатическом положении может/должен сохраняться на протяжении всего периода дневного бодрствования.

На период ночного отдыха осуществляется перевод тела испытуемого в горизонтальное положение, при котором возможно перераспределение жидкостных сред организма в краниальном направлении. Однако при этом следует учитывать малое значение градиента силы тяжести в направлении «грудь-спина». Соответственно, физиологические сдвиги, достигнутые при нахождении испытуемого в ортостатическом положении с заданным углом наклона тела в период дневного бодрствования, существенным образом не изменятся за период ночного отдыха.

Использование данного способа возможно в экспериментах с измененным режимом сна-бодрствования, а также измененными суточными ритмами (например, моделирование режимов со смещением графика сна-бодрствования, обусловленных проведением работ в нештатном режиме, работы на поверхности планет с различной продолжительностью светового дня).

Моделирование физиологических эффектов, соответствующих разным уровням пониженной гравитации, осуществляют путем соответствующего изменения угла наклона тела в ортостатическом положении. Это позволяет обеспечить моделирование физиологических сдвигов в соответствии с рассчитанными коэффициентами для пониженного, по сравнению с земным, уровня гравитации на поверхностях других планет, например Луны или Марса.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа, в частности чередование использования ортостатической гипокинезии в период дневного бодрствования с переводом испытуемого на период ночного отдыха в горизонтальное положение, позволяет снизить стрессорное воздействие на организм испытуемого за счет полноценного ночного сна в привычных условиях. Это дает возможность снизить материальные затраты при длительном моделировании физиологических эффектов пониженной гравитации, поскольку не требует тщательного медицинского контроля за испытуемым в ночной период времени и не требует затрат медикаментов на профилактику возможных расстройств здоровья испытуемого.

До настоящего времени все предложенные способы использовались для моделирования физиологических эффектов микрогравитации применительно к длительным космическим полетам или же межпланетным полетам. Отличительной особенностью предложенного способа является то, что он позволяет моделировать в наземных условиях возможные физиологические сдвиги в организме человека в условиях пониженной гравитационной нагрузки, связанные с пребыванием человека на поверхности других планет (Луна, Марс), уровень гравитации которых отличается от земного.

Таким образом, в изобретении предложена новая совокупность существенных признаков. Все предложенные признаки существенны, поскольку влияют на достигаемый технический результат, так как находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

Способ осуществляют следующим образом.

Для осуществления способа необходимо наличие функциональной медицинской кровати с возможностью обеспечения ортостатического положения тела. На период дневного бодрствования (например, на период 8.⁰⁰-23.⁰⁰ часов) испытуемого укладывают на кровать с обеспечением угла наклона тела, который соответствует процентному соотношению заданного уровня гравитации к земному. При этом земной уровень гравитации соответствует вертикальному положению кровати (+90°). Вечером перед отходом ко сну испытуемого переводят в горизонтальное положение лежа на период ночного отдыха (например, в период 23.⁰⁰-8.⁰⁰ часов). Утром следующего дня испытуемого вновь переводят в ортостатическое положение с заданным углом наклона. Для отправления естественных физиологических надобностей в течение дневного периода времени испытуемый находится в ортостатическом положении, а в ночной период - в горизонтальном положении с соблюдением постельного режима. Данный цикл горизонтального и ортостатического положения повторяют в течение необходимого периода времени, например в течение 10-14 суток или более.

Для моделирования физиологических эффектов, соответствующих разным уровням пониженной гравитации, обеспечивают угол наклона тела испытуемого в ортостатическом положении от 0° до +90°, соответствующий предполагаемым изменениям в системах организма на других планетах с пониженным по сравнению с земным уровнем гравитации (100%), например на Марсе - 37,7% (34°), на Луне - 16,6% (15°), на Меркурии - 37,7% (34°), на Венере - 89,7% (81°) (электронный ресурс: http://www.botik.ru/ICCC/NewPage/ICCCpageRus/Projects/2009/3session/HTML/vzglyad_v_buduschee/project.htm// Проект по теме «Космос», проверено 23.07.2013), под контролем состава жидкостных сред регионов тела, например, с помощью импедансометрии в диапазоне на 1-12% ниже значений, регистрируемых в нормальных земных условиях при g=9,81 м/с².

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить возможность многосуточного сохранения в течение до 8-9 часов сна лежа и до 15-16 часов в ортостатическом положении тела испытуемого эффектов моделирования пониженной гравитации и сохранения изменений физиологических сдвигов, адекватных разным уровням пониженной гравитации, а также повысить безопасность и снизить материальные затраты при длительном моделировании физиологических эффектов пониженной гравитации.

Способ моделирования физиологических эффектов пониженной гравитации согласно изобретению может найти применение:

- в практике авиакосмической медицины для моделирования физиологических эффектов микрогравитации у человека в наземных экспериментах по изучению влияния пониженной гравитации на сердечно-сосудистую систему, водно-электролитный обмен, состояние опорно-двигательного аппарата, а также состояние желудочно-кишечного тракта в условиях сниженной физической активности, в том числе при отборе кандидатов в космонавты;

- для моделирования физиологических эффектов гравитационных полей, меньших, чем на Земле.

1. Способ моделирования физиологических эффектов пониженной гравитации, включающий перевод человека на период дневного бодрствования в ортостатическое положение с положительным углом наклона тела относительно горизонтальной оси, который равен процентному отношению заданного уровня гравитации к земному уровню гравитации, соответствующему углу ортостатического положения плюс (+) 90 градусов, и перевод человека на период ночного отдыха в горизонтальное положение.

2. Способ по п.1, при котором моделирование физиологических эффектов, соответствующих разным уровням пониженной гравитации, осуществляют путем соответствующего изменения угла наклона тела в ортостатическом положении, что позволяет обеспечить моделирование физиологических сдвигов в соответствии с рассчитанными коэффициентами для пониженного, по сравнению с земным, уровнем гравитации на поверхностях других планет, например Луны или Марса.