Биоинформационный анализ микрохаотической динамики параметров вегетативной регуляции организма жителей г. Сургута с хроническими заболеваниями (стр. 1 )

На правах рукописи

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МИКРОХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ПАРАМЕТРОВ ВЕГЕТАТИВНОЙ РЕГУЛЯЦИИ ОРГАНИЗМА ЖИТЕЛЕЙ г. СУРГУТА

С ХРОНИЧЕСКИМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ

03.01.09 – Математическая биология, биоинформатика

(биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Сургут – 2012

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте биофизики и медицинской кибернетики

Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты - Мансийского автономного округа – Югры»

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, доцент

ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры», профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности»

доктор медицинских наук, профессор

ГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», зав. кафедрой медико-биологических дисциплин Медицинского института

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежская Государственная Медицинская Академия им. » Минздравсоцразвития России

Защита состоится «28» мая 2012 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.05 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа – Югры», г. Сургут, пр. Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа – Югры».

Автореферат разослан «____» ___________ 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Организм жителей северных территорий РФ функционирует в условиях воздействия ряда довольно жестких климатических факторов. Последние оказывают влияние на состояние показателей здоровья населения в силу того, что часть резервов как отдельных органов, так и функциональных систем организма задействована в процессах адаптации к этим сложным условиям и направлена на формирование приспособительных реакций гомеостаза (Hill A. B., 1975; Mathew L., 1989; и др., 1994). При воздействии экстремальных факторов приспособляемость организма, его адаптированность достигается за счет определенных изменений, называемых «биосоциальной платой» ( и др., 1985; , 1985, 2002). Длительное существование в таких условиях не может не приводить к более частому возникновению предпатологических и патологических сдвигов, особенно в тех системах и органах, в которых наиболее полно задействованы резервы и выражены адаптивные перестройки ( и др., 1994).

Известно, что северяне отличаются меньшими адаптационными способностями органов дыхания и кровообращения, сниженным уровнем физического здоровья, ускоренными возрастными изменениями ряда показателей функциональных систем организма (, 1994; , 1994). Довольно часто у лиц старшей возрастной группы выявляются определенные сдвиги приспособительных реакций, сходные по своему механизму с адаптивными изменениями при хронической гипоксии ( и др., 1989). В этой связи изучение особенностей протекания патологических процессов в условиях Севера РФ приобретает особую остроту и актуальность.

Принято считать, что сердечно-сосудистая система является основной лимитирующей системой и интегративной с точки зрения жизнеобеспечения организма. Она чутко реагирует на изменения в функционировании любого органа, а также характеристик окружающей среды ( и др., 2005). В условиях Севера человек вынужден адаптироваться к холоду и резким перепадам суточных температур не только зимой, но и весной, осенью. Негативное влияние низких температур на приезжий контингент сопряжено с развитием в легких морфологических изменений, свидетельствующих о формировании специфического структурного преморбидного состояния (, ). В складывающихся условиях становится актуальным комплексное использование методов медикаментозной терапии с различными методами восстановительной медицины в целях улучшения качества самочувствия пациентов, их дальнейшего выздоровления и пролонгации жизни в целом.

Для анализа эффективности применяемых лечебных воздействий особую значимость приобретают методы мониторинга функциональных систем организма и, в частности, неинвазивные методы вариационной пульсометрии (, , 2009). Вариабельность сердечного ритма (ВСР) может служить важным диагностическим признаком при дифференциальной диагностике заболеваний, а также при выявлении особенностей течения исследуемых форм нозологий в различных климатических условиях, в том числе на Севере РФ (, 2004). Многочисленные исследования ВСР свидетельствуют, что параметры вариабельности ритма сердца раньше, чем другие функциональные показатели сигнализируют о чрезмерном воздействии факторов, так как нервная и гуморальная регуляция кровообращения изменяются раньше, чем появляются энергетические, метаболические и гемодинамические нарушения (, , 2000; , 2006). Ценность материалов, полученных при помощи методов биоинформационного анализа ВСР, подкрепляется использованием для оценки динамики поведения вектора состояния организма человека (ВСОЧ) оригинальных методов, базирующихся на теории хаоса и синергетики (, , ). Эти методы основаны на исследовании параметров квазиаттракторов динамики поведения ВСОЧ в фазовом пространстве состояний (ФПС), выявлении параметров порядка (ПП) и идентификации матриц межаттракторных расстояний между стохастическими и хаотическими центрами квазиаттракторов, характеризующих количественную меру эффективности лечебного воздействия комплекса физиотерапевтических воздействий (ФВ).

Цель диссертационной работы: определение закономерностей поведения вектора состояния вегетативной регуляции организма пациентов с сердечно-сосудистой патологией и патологией опорно-двигательного аппарата в условиях применения методов восстановительной медицины.

В соответствии с целью определены следующие задачи исследования:

1. В рамках методов теории хаоса и синергетики произвести биоинформационный анализ в многомерном фазовом пространстве состояний показателей вегетативной регуляции у пациентов с остеохондрозом позвоночника в условиях применения комплекса ФВ.

2. С использованием методов биоинформационного анализа выявить особенности поведения вектора состояния показателей вегетативной регуляции у пациентов с гипертонической болезнью (ГБ) в условиях применения методов УФВ.

3. Методом многомерных фазовых пространств выявить особенности поведения вектора состояния показателей вегетативной регуляции у пациентов с сочетанной патологией (с остеохондрозом позвоночника и сопутствующей ГБ) в условиях применения методов УФВ.

4. Методом идентификации матриц межаттракторных расстояний произвести оценку эффективности методов восстановительной медицины у пациентов с различными хроническими неинфекционными заболеваниями.

Связь с основными планами научных исследований. Работа выполнялась в рамках федеральной программы «Исследование поведения функциональных систем организма человека на Севере методами многомерных фазовых пространств состояний» (Гос. рег. № ).

Научная новизна работы:

Впервые доказано, что модуляция активности комплекса ФВ приводит к восстановлению вегетативного равновесия у больных обследуемых групп больных.

Закономерностью поведения параметров вегетативной регуляции в условиях влияния методов восстановительной медицины у больных с остеохондрозом позвоночника является уменьшение степени асинергизма, у больных с ГБ 2 стадии и у больных с сочетанной патологией (с остеохондрозом позвоночника и сопутствующей ГБ 2 стадии) – уменьшение степени хаотичности и асинергизма.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Биоинформационный анализ в многомерном фазовом пространстве состояний показателей вегетативной регуляции у пациентов с остеохондрозом позвоночника в условиях применения комплекса методов восстановительной медицины позволил установить тенденцию к уменьшению степени асинергизма.

2. В рамках методов биоинформационного анализа выявлена положительная количественная динамика в сторону уменьшения параметров вектора состояния показателей вегетативной регуляции у пациентов с гипертонической болезнью в условиях применения комплекса ФВ.

3. С применением методов биоинформационного анализа установлена тенденция к снижению параметров вектора состояния показателей вегетативной регуляции у больных с сочетанной патологией (с остеохондрозом позвоночника и сопутствующей ГБ) после применения методов ФВ, что свидетельствует об эффективности проводимого лечебного воздействия.

4. При идентификации матриц межаттракторных расстояний в многомерном ФП для трех групп пациентов в условиях применения методов УФВ выявлены расстояния между хаотическими и стохастическими центрами анализируемых квазиаттракторов, описывающих состояние разных групп обследуемых. Значения параметров межаттракторных расстояний в группе больных с ГБ соответствует наибольшему лечебному эффекту от применения методов ФВ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новые биоинформационные методы многомерных фазовых пространств, применяемые для анализа вегетативной регуляции организма человека, позволяют оценивать динамику компенсаторно-адаптационных возможностей организма на основе исходного статуса ФСО больных с различными хроническими заболеваниями в условиях применения методов ФВ.

2. Идентификация параметров квазиаттракторов и параметров порядка методом покластерного сравнения параметров вектора состояния показателей вегетативной регуляции организма больных обеспечивает выделение наиболее важных диагностических признаков в ФСО обследуемых групп.

3. Сравнительный биоинформационный анализ матриц межаттракторных расстояний между стохастическими и хаотическими центрами квазиаттракторов целесообразно использовать для количественной оценки эффективности применения комплекса ФВ на ФСО пациентов.

Декларация личного участия автора заключается в постановке задач исследования, анализе современного состояния проблемы, получении первичных данных мониторинга показателей ВСР разных групп обследуемых, проведении исследований по выявлению закономерностей поведения параметров вегетативной регуляции организма человека в условиях применения методов восстановительной медицины..

Автором самостоятельно осуществлена статистическая обработка материалов, их интерпретация, идентификация полученных данных с привлечением новых биоинформационных методов обработки. В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 70-80%.

Внедрение результатов исследований:

Результаты исследований внедрены в НУЗ «Сургутская отделенческая больница на станции г. Сургут , о чём свидетельствует акт внедрения. Результаты исследования используются в подготовке студентов биологического факультета ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа-Югры», в проведении лабораторно-практических занятий по дисциплинам «Биофизика», «Функциональные системы организма человека на Севере», «Клиническая кибернетика».

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены на Всероссийской научной конференции «Современные аспекты клинической физиологии в медицине» (г. Самара, 2008 г.), на IX Окружной конференции «Науки и инновации XXI века» (г. Сургут, 2009 г.,), на III, IV, V Международных конференциях «Информатика и системы управления» (г. Благовещенск, 2009 г., 2010 г., 2011 г.), на XI Международной конференции «Современные технологии восстановительной медицины. Профессиональное долголетие и качество жизни» (г. Сочи, 2010 г.), на VIII и IX Международной научной конференции «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (г. Тольятти, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 1 монографии (в соавторстве), 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, и 11 статьях в рецензируемых журналах и научных сборниках. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста и состоит из «Введения», в котором обосновывается актуальность исследования параметров ВСР у жителей г. Сургут с хроническими заболеваниями.

В первой граве представлен обзор литературных данных по современным подходам и биоинформационным методам изучения ВСР. Во второй главе «Объект и методы исследования» представляются объект исследования и методы, применяемые для исследования динамики поведения вектора состояния показателей вегетативной регуляции организма у жителей г. Сургута с использованием автоматизированного комплекса. Глава «Результаты исследований и их обсуждение» посвящена биоинформационному анализу показателей, характеризующих состояние ФСО жителей г. Сургута с позиции системного анализа и синтеза. В структуре диссертации имеются «Заключение», «Выводы», «Приложения». Список литературы включает 155 работ, в том числе 23 на иностранном языке. Текст диссертации иллюстрирован 28 таблицами и 46 рисунками.

Объект и методы исследований

В настоящей работе приводятся результаты исследования показателей вегетативной регуляции организма пациентов на основе анализа ВСР на базе отделения восстановительной медицины и реабилитации НУЗ «Отделенческая клиническая больница на ст. Сургут . За период г. г. обследованы больные (n=101), страдающие хроническими заболеваниями опорно-двигательного аппарата (остеохондроз позвоночника), сердечно-сосудистой системы (гипертоническая болезнь).

В группу наблюдений вошли: 1 группа – пациенты с остеохондрозом позвоночника, средний возраст 42,5±1,9 лет (n=31); 2 группа – пациенты с гипертонической болезнью 2 стадии, средний возраст 50,1±1,6 лет (n=50); 3 группа – пациенты с остеохондрозом позвоночника и сопутствующей гипертонической болезнью 2 стадии, средний возраст 54,25±1,8 лет (n=20).

В ходе исследований использовались следующие методы:

1. Исследование параметров ВСР проводилось в два этапа с использованием аппаратно-программного комплекса «ЭЛОКС-01С2» ( Новые Приборы, г. Самара). Показатели снимались до влияния методов управляющего физиотерапевтического воздействия (в начале лечения: исходные данные, в первый день поступления в отделение), затем после всего комплекса физиотерапевтических процедур (перед выпиской). Мониторинг выполнялся приблизительно в сходных комфортных условиях в течение 5 минут.

2. Статистическая обработка данных производилась с использованием программного продукта STATISTICA version 6.1. В виду отличия распределения показателей ВСР от нормального (тип распределения определяли при помощи одновыборочного теста нормальности W Шапиро-Уилко) все данные представлены в виде медианы и интерквартильного размаха. Интерквартильный размах указывается в виде 25% и 75% процентилей. Для оценки значимости различия показателей в связанных выборках (до и после применения методов УФВ) применялся непараметрический критерий Вилкоксона, за достоверно значимые принимали различия при значениях р<0,05.

2. Исследование параметров движения вектора состояния организма обследуемых x=x(t)=(x1,x2,…,xm)T в ФПС производилось методами ТХС, в рамках которой идентифицировались параметры квазиаттракторов с использованием авторского программного продукта «Программа идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в m-мерном фазовом пространстве» (НИИ БМК при СурГУ ХМАО-Югры, проф. ). Метод базируется на сравнении параметров различных кластеров, представляющих биологические динамические системы (БДС), к которым могут относиться одни и те же БДС в условиях применения методов УФВ. С использованием данного программного продукта рассчитывались объемы m-мерных ФП (General V value) и расстояние между точками геометрического (хаотического) и статистического (стохастического) центров (General asymmetry value Rx) этих многомерных ФП у разных групп обследуемых. Также производился расчет и построение матриц межаттракторных расстояний движения ВСО путем идентификации расстояний Zij между центрами квазиаттракторов. Полученные расстояния представляли количественную меру приближенности (или удаленности) сравниваемых квазиаттракторов (до и после применения методов УФВ) в ФПС, по которой можно оценивать функциональное состояние организма больных в условиях применения методов УФВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

У обследованных больных выявлены следующие закономерности микрохаотической динамики параметров вегетативной регуляции в условиях применения методов физиотерапевтических мероприятий (таб. 1-6).

Как видно из представленных данных (таб. 1), у пациентов с остеохондрозом позвоночника, не выявлено существенной динамики показателей уровня насыщения оксигемоглобином крови обследуемых (SpO2) под воздействием комплекса ФВ: SpO2до = SpO2после = 97,00 % (рВ > 0,05).

Значения показателей СИМ и ПАР характеризовались слабой активностью (менее 15 у. е.) как до, так и после применения комплекса ФВ.

Для показателя частоты сердечных сокращений (HR) характерно достоверно значимое повышение на 7 уд. мин. (p < 0,05). Повышение HR свидетельствует о мобилизации сердечно-сосудистой системы для обеспечения работы организма в неблагоприятных условиях (например при стрессе или болезни), что указывает на повышение тонуса СИМ.

Для группы больных с остеохондрозом позвоночника превалирующим типом вегетативного тонуса, по значениям ИНБ, является нормотония: 40,00 у. е. (62 %) и 56,00 у. е. (65 %)до и после применения комплекса ФВ соответственно. После применения комплекса ФВ наблюдалась тенденция к уменьшению вагусной активности НС.

Рис. 1. Процентное соотношение типов вегетативного тонуса (по ИНБ) в группе больных с остеохондрозом позвоночника, %

Таблица 1

Динамика показателей ВСР у пациентов с остеохондрозом позвоночника в условиях применения комплекса ФВ (n=31)

	Показатели ВСР
	1	2	3	4	5	6	7	8
	SpO2, %	СИМ, у. е.	ПАР, у. е.	HR, уд./мин.	ИНБ, у. е.	SDNN, мс	RMSSD, мс	pNN50, %
Медиана	До ФВ	97,00	4,00	11,00	73,00	40,00	43,00	33,00	7,00
После ФВ	97,00	5,00	10,00	80,00	56,00	36,00	26,00	4,00
Оценка значимости различия (рв)	0,70	0,08	0,31	0,02*	0,12	0,38	0,12	0,12

Примечание. SpO2 - уровень насыщения оксигемоглобином крови обследуемых; СИМ – индекс активности симпатического отдела ВНС; ПАР – индекс активности парасимпатического отдела ВНС; ИНБ – индекс напряжения регуляторных систем ; SDNN – стандартное отклонение NN-интервалов; RMSSD, мс – квадратный корень из среднего значения квадратов разностей величин последовательных интервалов NN; pNN50 – процент последовательных интервалов NN, различие между которыми превышает 50 мс; HR – частота сердечных сокращений; рв – критерий достоверности различий Вилкоксона (* – р < 0,05; ** – p < 0,01; *** – p < 0,001).