Modern methods of the functional state assessing of the body and the physical performance of a serviceman in solving scientific research problems of biomedical direction

Full Text

Введение. В настоящее время профессиональ- ная деятельность военного специалиста зачастую остаётся насыщенной элементами физического труда, при этом физические нагрузки связаны с динамической и статической работой мышц. Следствием выполнения продолжительных интен- сивных физических нагрузок является развитие утомления, что негативно отражается на качестве и скорости выполняемой работы. Для оценки влияния физического труда на орга- низм военнослужащего медицинские специалисты ориентируются на исследование отдельных, наи- более значимых показателей функционального состояния (ФС) той или иной системы организма, задействованной при решении конкретной военно- профессиональной задачи. По мнению некоторых исследователей, эффективность профессиональ- ной деятельности большинства категорий военнослужащих во многом зависит от их психологического состояния, степени физической подготовленности, состояния здоровья и уровня профессиональной подготовки [9]. Главенствующую роль при этом играет ФС организма военнослужащего, которое, в свою очередь, определяется условиями деятельно- сти и индивидуальными особенностями личности. Поэтому для специалистов, изучающих вопросы биомедицинской направленности, ФС организма военнослужащего и его физическая работоспо- собность (ФР) являются основными критериями, характеризующими эффективность военно-про- фессиональной деятельности. В настоящее время в арсенале военно-меди- цинских специалистов имеется широкий набор средств и методов оценки ФС организма и ФР во- еннослужащего как в стационарных, так и полевых условиях. Многие из них используются на протяже- 202 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры нии нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как простые, надежные и объективные [9]. Несмотря на это, одной из главных задач исследо- вателей всегда будет оставаться поиск наиболее эффективных средств и методов изучения ФС организма человека и его ФР с учетом появления более современных подходов к их оценке и новой аппаратуры. В связи с активным развитием спорта высших достижений, постоянно возрастающим уровнем конкуренции, совершенствованием лабо- раторной базы в спортивной медицине появляются новые компактные аппаратные средства, позволя- ющие как в стационарных, так и полевых условиях оперативно получать необходимую информацию о предъявляемой нагрузке и реакции организма на неё. Современные приборы обеспечивают высокую точность регистрации данных, что позволяет ис- следователям с достаточной степенью достоверно- сти интерпретировать полученные результаты [1]. Исходя из этого, представляется актуальным рассмотреть современные подходы к оценке ФС организма человека и его ФР, а также определить средства и методы, позволяющие совершенство- вать материально-техническую базу научно-иссле- довательских организаций, занимающихся изуче- нием вопросов биомедицинской направленности. Цель исследования. Провести обзор совре- менных средств и методов исследования ФС ор- ганизма человека и его ФР, наиболее приемлемых для использования в физиологии военного труда. Материалы и методы исследования. Про- ведён анализ современных средств и методов оценки ФС организма и ФР человека, применяемых в физиологии военного труда и спортивной меди- цине в России и за её пределами. Обоснован выбор современных методов оценки ФС организма воен- нослужащего и его ФР, наиболее приемлемых для использования в стационарных и полевых условиях. Результаты и их обсуждение. Одной из ос- новных задач исследователей, занимающихся изучением вопросов медико-биологического со- провождения разработки новых образцов военной техники, боевой экипировки и средств коррекции боеспособности, является оценка ФС организма и ФР военнослужащего в процессе профессиональ- ной деятельности. При этом важно исследовать ФС основных систем организма, определяющее успешность выполнения учебно-боевых задач. Физические нагрузки, связанные с динамиче- ской и/или статической работой мышц, сопрово- ждаются изменением физиологических систем организма, тем большими, чем больше объем выполняемой ра боты. Динамика показателей основных физиологических систем организма во- еннослужащего и степень его утомления являются основными критериями эффективности его во- енно-профессиональной деятельности, что лежит в основе выбора методов оценки ФС организма и ФР военнослужащего при решении научно-иссле- довательских задач биомедицинской направленно- сти. При этом наиболее приоритетными задачами являются изучение основных физиологических показателей систем дыхания и кровообращения, обмена веществ и основного обмена при вы- полнении динамической работы, а также оценка ФС системы постурального контроля в процессе выполнения статической работы. Неотъемлемой частью биомедицинских исследований в области эргономики является изучение биомеханических характеристик движений военнослужащего в про- цессе профессиональной деятельности. В настоящее время для оценки у военнослу- жащих ФС систем дыхания и кровообращения, а также определения ФР в физиологии военного труда зачастую используют отдельные функцио- нальные пробы (PWC170, степ-тест, пробы Руфье, Летунова, Мартинета, Штанге, Генча, Розенталя, Шафрановского и др.) или блоки нагрузочных проб, выбор которых во многом определяется перво- степенными целями и задачами исследования, а также спецификой контингента, которая формиру- ется с учётом половой принадлежности, возраста, уровня физической подготовленности, состояния здоровья и т. д. [9]. В основе выбора данных проб лежит прежде всего то, что они непродолжительны по времени, просты в освоении, не требуют доро- гостоящего оборудования и высококвалифициро- ванного персонала для их проведения. При этом зачастую невозможность стандартизировать ха- рактер предъявляемой нагрузки и низкий уровень её количественной оценки зачастую придают ин- терпретации результатов субъективный характер. В спортивной медицине для оценки ФС систем дыхания и кровообращения организма и ФР спор- тсменов, как правило, применяют кардиореспи- раторную нагрузочную пробу - эргоспирометрию [3]. При проведении эргоспирометрического ис- следования все показатели ФР в совокупности с регистрацией электрокардиограммы, артериаль- ного давления, сатурации крови отображаются непосредственно на экране монитора, что позво- ляет исследователю в режиме реального времени количественно и качественно оценивать характер предъявляемой нагрузки и реакцию систем дыха- ния и кровообращения на неё, скорость и качество восстановительных процессов и функциональные резервы организма [8]. В основе выбора мето- дики лежит, прежде всего, её универсальность, неинвазивность и высокая диагностическая досто- верность. Помимо количественного определения ключевых показателей ФР, таких как максималь- ное потребление кислорода, порог анаэробного обмена, дыхательный коэффициент, кислородный пульс нагрузки и др., эргоспирометрия позволяет определять метаболический эквивалент нагрузки, регистрировать основные показатели функции ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 203 Обзоры внешнего дыхания, такие как жизненная ёмкость лёгких, минутный объём дыхания, форсированная жизненная ёмкость и др. Несомненным преимуществом эргоспироме- трии является возможность расчёта энергозатрат в процессе выполнения конкретной функциональной пробы или на определенной ступени нагрузки с использованием данных ДК и калорического эк- вивалента по кислороду. Использование эргоспи- рометрии в полевых условиях открывает широкие возможности перед исследователем при оценке энергозатрат в процессе выполнения конкретной задачи, что позволяет прогнозировать успешность профессиональной деятельности. За рубежом на протяжении многих лет успешно применяют эргоспирометрию для решения научно- исследовательских задач в области военной меди- цины. Так, специалисты Организации оборонных исследований и разработок (Defence Research and Development Organisation - DRDO), базирующей- ся в г. Дели (Индия), показали информативность эргоспирометрии для оценки влияния нагрузок, связанных с переноской груза, на ФС организма и ФР военнослужащего. Для этого регистрировали пульс, частоту дыхательных движений, макси - мальное потребление кислорода при выполнении нагрузки в различных вариантах экипировки на различных природных поверхностях, оценивали корреляцию между уровнем ФР и когнитивными функциями [25]. Другие исследователи из DRDO регистрировали эргоспирометрические параме- тры у добровольцев с целью изучения влияния условий высокогорья на ФС организма и ФР во- еннослужащих при выполнении работы различной интенсивности [14]. Польские ученые из отдела кардиологии и внутренних болезней военного института медицины доказали информативность эргоспирометрии для оценки ФС систем дыхания и кровообращения организма военнослужащих, в том числе для клинической диагностики премор- бидных состояний систем дыхания и кровообра- щения [19]. Австралийские ученые использовали эргоспирометрию для установления корреляции между энергозатратами военнослужащего и рас- пределением груза на поверхности его тела [16]. Заметим, что указанная методика не лишена и некоторых недостатков, таких как высокая цена оборудования и расходных материалов для прове- дения исследования, нуждаемость в квалифициро- ванном медицинском персонале. В связи с тем, что кардиореспираторная нагрузочная проба зачастую сопровождается предъявлением максимальных и субмаксимальных нагрузок для испытуемого, име- ется риск возникновения состояний, требующих оказания неотложной медицинской помощи. В настоящее время для оценки ФС организма военнослужащего и его ФР существует возмож- ность использования современных эргоспироме- трических комплексов, в том числе: «MetaLyzer 3B» фирмы «Cortex» (Германия), «Quark CPET» фирмы «Cosmed» (Италия), «Cardiovit CS-200 Ergo-spiro» фирмы «Schiller AG» (Германия) и др. Возможность применения специализированного оборудования, основанного на беспроводной передаче данных, такого как «MetaMax 3B» фирмы «Cortex» (Герма- ния), «OxiconPro Mobile» фирмы «Jaeger» (Герма- ния) и др., позволяет регистрировать все ключевые физиологические показатели непосредственно в полевых условиях. Наиболее распространенной методикой из- учения влияния статических нагрузок на организм человека является стабилометрия. С учётом опыта её применения в спортивной медицине появляется возможность адаптировать имеющиеся методики применительно к профессиональной деятельности военнослужащих. Стабилометрия включает в себя широкий набор методик, среди которых наибольшее распростра- нение получили пробы Ромберга, лимита стабиль- ности, оптокинетическая проба и др. [10]. Помимо классических методик, стабилометрия может включать в себя пробы с биологической обратной связью по опорной реакции, что позволяет ис- пользовать их в качестве тренажерных устройств, направленных на совершенствование функции равновесия, координационных способностей, психологической устойчивости, грамотного так- тического мышления, повышение роли отдельных сенсорных каналов при управлении движениями. Стабилометрическое исследование не имеет альтернатив по комфортности и малому времени исследования, обладает высокой чувствитель - ностью к малейшим изменениям ФС организма человека, позволяет производить анализ текущего состояния исследуемого, отследить первые при- знаки состояния переутомления [6]. В России выполнен ряд работ, посвященных изу- чению влияния статических нагрузок на ФС орга- низма военнослужащих. При участии специалистов Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова была показана информативность стабилометрии для оценки ФС организма военнослужащих из числа летного состава Воздушно-космических сил России при статокинетической нагрузке. Для этого в работе регистрировали площадь статокинезио- граммы, вычисляли средний радиус отклонения центра давления, среднюю скорость его переме- щения, качество функции равновесия и показатели спектра стабилограммы. При этом была установле- на взаимосвязь стабилометрических показателей с показателями вариабельности сердечного ритма после статокинетических нагрузок. Было показано, что анализ стабилометрических показателей, как и анализ вариабельности сердечного ритма, даёт возможность для индивидуальной оценки ФС ор- ганизма летчиков при воздействии на него небла- гоприятных факторов лётного труда [4]. В других работах изучали стабилометрические показатели у 204 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры моряков и членов экспедиции, впервые вышедших в арктический рейс. Регистрировали площадь ста- билограммы, вычисляли энерго- и стабилоиндекс, коэффициент Ромберга. Было доказано, что ста- билометрические показатели могут быть рассмо- трены в качестве критериев оценки реактивности организма в экстремальных условиях [7]. За рубежом исследования в области посту- рологии относятся к категории работ, имеющих чрезвычайно высокую актуальность. В частности, военно-медицинских специалистов интересуют во- просы, связанные с оценкой влияния переносимых грузов на ФС организма военнослужащих. Учёными из исследовательского центра изучения снаряже- ния армии Соединенных Штатов Америки (США) была проведена научная работа по исследованию влияния нагрузки и нагрузочных конфигураций на постуральную активность военнослужащих. С использованием стабилометрических методик исследования было доказано, что увеличение веса груза и изменение веса рюкзака меняют ста- токинетическую устойчивость военнослужащих. По мнению авторов работы, оценка постуральной активности человека дополняет анализ ходьбы с переносом груза, позволяя быстро и эффективно определять влияние переносимых грузов на био- механику двигательных действий военнослужащих [17]. Исследователи Департамента ортопедии ме- дицинского университета г. Ростока (Германия) с помощью стабилографических методик исследова- ния изучали влияние постепенно увеличивающейся нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Оцени- вая статокинетическую устойчивость и мышечную активность военнослужащих, эксплуатирующих боевую экипировку, было показано, что неравно- мерное распределение нагрузки может привести к деформации костно-мышечной системы [22]. Помимо выше перечисленных преимуществ, стабилометрия обладает и рядом недостатков, та- ких как недостаточная информативность некоторых параметров, неточные представления о границах их нормальных значений, необходимость соблю- дения стандартных условий проведения исследо- вания, что очень сильно затрудняет использование данной методики в полевых условиях [1]. В качестве оборудования могут быть исполь- зованы стабилометрические комплексы «Стаби- лан-01-2» опытно-конструкторского бюро «РИТМ» (Россия), «Траст-М» общества с ограниченной ответственностью «Неврокор» (Россия), «ST-150» фирмы «БиоМера» (Россия), «Biodex Balance System Sd» фирмы «Biodex Medical Systems Inc.» (США), «Balance Master» фирмы «Neurocom» (США) и др., позволяющие регистрировать прямые (среднее положение общего центра давления во фронтальной и сагиттальной плоскостях и среднюю массу тела) и расчетные (вычисленные на основе прямых измерений, в том числе программным обе- спечением стабилоплатформы) показатели. В настоящее время при физиолого-гигиени- ческой оценке влияния конструктивно-механиче- ских свойств элементов экипировки на амплитуду максимально возможных активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и позвоночнике применяют гониометрию [10]. Однако использование гониометрии при оценке влияния «габаритных» элементов экипировки на биомеханические характеристики движений воен- нослужащих затруднительно ввиду невозможности привязки положения гониометра к анатомическим ориентирам. В последнее время активно развивающиеся технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) сделали доступным применение инерци- альных датчиков и систем регистрации параметров движения в недорогих массовых устройствах [25]. Устройства имеют преимущества в размерах, энергопотреблении, решают задачи трехмерного ориентирования, позиционирования, измерения скорости и ускорений по трем осям, а также имеют широкий набор информационных интерфейсов [2]. МЭМС-датчики нашли своё применение в спортив- ной медицине, эргономике и биомеханике. Инер- циальные МЭМС-датчики могут регистрировать линейное и угловое ускорения, угловую скорость и магнитное поле вектора в собственной трехмерной системе координат. Наиболее известным представителем, пред- лагающим использование МЭМС-датчиков для отслеживания движений человека, является гол- ландская компания «Xsens Technologies». Датчики Xsens фиксируются на различных частях тела чело- века для оценки их пространственного положения при движении, в результате чего аккумулируются данные о движениях, имеющих шесть степеней свободы по отношению к системе координат, не привязанной к телу. Информация, поступающая с сенсоров (акселерометров, гироскопов, магнито- метров), обрабатывается с помощью инерциальных цифровых сигнальных процессоров, находящихся в корпусе датчика, или с помощью внешних ком- пьютерных устройств, после чего анализируется с помощью специальных алгоритмов. Для повышения точности данных о движении или о его отношении к инерциальной системе координат в систему датчиков интегрируются раз- личные типы вспомогательных сенсоров, таких как магнитные датчики, приемники глобальной систе- мы позиционирования, высокочастотные датчики местоположения, барометр, фотокамера, а также датчики давления и/или силы [11]. Среди разра- боток компании имеется специальный костюм с интегрированными в него датчиками - «Xsens MVN (Moving)» (Нидерланды). Датчики Xsens, позволяющие оценивать объем движений, имеют большой потенциал в предо- ставлении объективной оценки средств индиви- дуальной защиты, применяемых в военных целях. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 205 Обзоры Xsens-технологии применяли для описания опре- деленных двигательных действий, выполняемых добровольцами в том или ином обмундировании. Исследователи из Института авиационной медици- ны (г. Варшава, Польша) включили инерциальные датчики в структуру экзоскелета, разрабатываемо- го для транспортировки средств индивидуальной экипировки и обеспечения поддержки при вы- полнении базовых двигательных задач [13]. Вен- герские ученые факультета прикладной механики Университета технологии и экономики на базе лаборатории анализа движений разработали меха- ническую модель оценки движения, позволяющую рассматривать особенности пространственного перемещения военнослужащего [18]. Количествен- ная биомеханическая оценка движения верхних конечностей и мышечной активности военнослу- жащих являлась основной методикой исследова- ния у специалистов Управления перспективных исследовательских проектов США при разработке модели удлиненного бронежилета [25]. О высокой эффективности применения МЭМС-технологий свидетельствуют результаты исследований, пред- ставленные в публикациях немецкими и корейски- ми учеными [23, 24]. Существенным недостатком применения инер- циальных датчиков является то, что они регистри- руют углы Эйлера, отражающие местоположение датчика в пространстве, а не в проекции двоичных систем координат, в системе измерения которых заложены принятые за стандарты значения в ор- топедии и травматологии. Это составляет опреде- лённые трудности для интерпретации полученных результатов. Помимо этого, стоимость систем инерциальных датчиков высока, работа с ними требует высококвалифицированного персонала и специализированного инженерного обслуживания. В спортивной биомеханике наиболее распро- странённым способом регистрации биомеханиче- ских параметров человека является видеоанализ (видеозахват) движений [23]. Способ основан на регистрации сигналов, поступающих от пассивных маркеров (светоотражателей), закрепленных на костных выступах человека. Наиболее известным производителем таких систем является компания «Vicon» (Великобритания). Программно-аппарат- ные комплексы вышеуказанной компании способны регистрировать биомеханические характеристики высокоамплитудных и самых незначительных по амплитуде движений всего тела человека или его сегментов, благодаря чему находят широкое приме- нение в биомеханике и реабилитационной медицине. Существуют данные об использовании видео- анализа (видеозахвата) движений для решения различных научно-исследовательских задач в об- ласти военной медицины за рубежом. Так, исследо- ватели из Военно-морской школы постдипломного образования США использовали систему видеоа- нализа (видеозахвата) движений для оценки и коррекции навыков стрельбы у военнослужащих. Для этого применяли систему «Vicon motion capture» производства компании «Vicon» (Великобритания). В результате проведенной работы было показано, что с помощью системы видеозахвата движений возможно установить различия существующих на- выков стрельбы у военнослужащих различных уров- ней профессиональной подготовки [21]. Корейские ученые из научно-исследовательского института электроники и телекоммуникаций предлагают ис- пользовать технологию виртуальной симуляции, основанную на видеозахвате движений, в целях повышения военно-профессиональных навыков [23]. Австралийские специалисты с помощью си- стемы видеозахвата движений «Santa Rosa» смогли эффективно оценить влияние боевой экипировки на ФС и ФР военнослужащих в процессе военно- профессиональной деятельности [20]. Методика видеоанализа движений не лишена недостатков. Во-первых, в процессе движения маркеры могут перекрываться от объектива каме- ры, что препятствует регистрации значений био- механических характеристик движений. Во-вторых, зоны видеосъемки ограничены, что заставляет про- водить исследование на ограниченных площадях. В-третьих, качественное проведение регистраций возможно только при низкой освещенности, что затрудняет проведение исследований в полевых условиях. Использование данного способа для оценки влияния элементов боевой экипировки на биомеханические характеристики движений ограничивает еще один существенный недостаток. Доступ к костным выступам испытуемого ограни- чивают элементы боевой экипировки, что требует, нарушая методику проведения измерений, уста- навливать светоотражатели на поверхности экипи- ровки. В связи с этим реальная картина положения сегментов тела в пространстве отражается недо- статочно объективно, что в итоге может исказить результаты измерений [5, 10]. Из числа наиболее доступной на российском рынке аппаратуры для «захвата движений» чело- века наиболее известными являются продукты «Траст-М Биомеханика» общества с ограниченной ответственностью «Неврокор» (Россия), «Motion capture» и «MVN Animate» фирмы «X-Sens» (Ни- дерланды), 3D Motion Capture фирмы «Noraxon U.S.A. Inc.» (США), основанные на использовании инерциальных МЭМС-датчиков, а также системы видеозахвата, такие как «Motion Capture Systems» фирмы «Vicon» (Великобритания), «UltraMotion Pro Sport» и «StarTrace 2D» фирмы «Видеоанализ» (Россия) и пр. Заключение. В научно-исследовательской практике военно-медицинских специалистов це- лесообразно исследовать ФС организма военнос- лужащего и его ФР при нагрузках, связанных как с динамической, так и со статической работой мышц. 206 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры Для определения ФС организма и ФР военнос- лужащего с учётом его индивидуальных особенно- стей наиболее перспективной методикой является эргоспирометрия. Персонифицированный подход позволяет решать научно-исследовательские за- дачи биомедицинской направленности, оценивать ключевые показатели ФС систем дыхания и кро- вообращения, что имеет важное значение в диа- гностике предпатологических состояний. Данные, полученные с помощью эргоспирометрии, позволя- ют прогнозировать ФР военнослужащего и продол- жительность её поддержания на заданном уровне, заменяя или дополняя большинство стандартных нагрузочных проб. Возможность использования специального беспроводного оборудования по- зволяет применять методику в полевых условиях. Широкий диапазон возможностей эргоспироме- трии является несомненным аргументом в пользу её выбора в качестве «золотого стандарта». Использование классических методик стаби- лометрии при оценке ФС организма и ФР воен- нослужащего в процессе выполнения статической работы вносит значительный вклад в организацию своевременной диагностики текущего состояния военного специалиста. Применение стабиломе- трических методик с биологической обратной связью является перспективным направлением при создании тренажёрных устройств для повышения эффективности профессиональной деятельности военнослужащих [12]. Для изучения влияний динамических нагрузок на опорно-двигательный аппарат военнослужащего в процессе его профессиональной деятельности наиболее приемлемым является использование технологий захвата движений (с помощью систем инерциальных датчиков или видеоанализа). Предлагаемые методики оценки ФС и ФР во- еннослужащих позволяют унифицировать подходы при решении научно-исследовательских задач биомедицинской направленности в процессе ме- дико-биологического сопровождения разработки новых образцов боевой экипировки, военной техники и средств коррекции боеспособности во- еннослужащих.

About the authors

A M Geregey

Email: a.geregey@mail.ru

A S Kovalev

O V Vetryakov

I S Malahova

E M Mavrenkov

References

Supplementary files