Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Матрицы межаттракторных расстояний в оценке движения вектора состояния организма человека при различных режимах трудовой деятельности

ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Матрицы межаттракторных расстояний в оценке движения вектора состояния организма человека при различных режимах трудовой деятельности"

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВА АНАСТАСИЯ ЮРЬЕВНА

МАТРИЦЫ МЕЖАТТРАКТОРНЫХ РАССТОЯНИЙ В ОЦЕНКЕ ДВИЖЕНИЯ ВЕКТОРА СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ТРУДОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

03.01.02- биофизика (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г 4 ОКТ 2013

Сургут-2013

005535664

005535664

Работа выполнена в лаборатории биокибернетики и биофизики сложных систем при Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры»

Научный руководитель: ЕСЬКОВ Валерий Матвеевич

Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: КОВАЛЕВ Игорь Викторович,

доктор медицинских наук, профессор ГБОУ ВПО «Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ, профессор кафедры биофизики и функциональной диагностики

НИФОНТОВА Оксана Львовна

доктор биологических наук, доцент ГОУ ВПО ХМАО-Югры «Сургутский государственный педагогический университет», доцент кафедры медико-биологических дисциплин и безопасности жизнедеятельности

Ведущая организация: ГБОУ ВПО «Самарский государственный

медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ

Защита состоится «9» ноября 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.02 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу: 628412, г. Сургут, пр-т Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа-Югры» по адресу: 628412, г. Сургут, пр-т Ленина, 1. Автореферат разослан «9» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, доцент Е.В. Майстренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время производственная среда является генератором различных неблагоприятных физических факторов, действующих на организм человека. При этом по степени значимости именно физические факторы играют ведущую роль. Интенсивный шум, вибрация, воздействие электромагнитных полей, изменение освещенности, особые температурные параметры производства оказывают крайне неблагоприятное влияние на состояние функциональных систем организма (ФСО) человека. Кроме того, существенное воздействие на различные органы и организм в целом, оказывает характер и организация самой трудовой деятельности, что может привести к нарушению биоритмов и серьезным изменениям параметров ФСО.

Степень изменений функционального состояния организма в процессе трудовой деятельности прежде всего обусловливается тяжестью выполняемой при этом физической или умственной работы. Различия в состоянии ФСО под влиянием трудовых процессов (при их осуществлении) проявляется в первую очередь в режимах мышечной деятельности или состояниях центральной нервной системы (ЦНС). Уже сейчас, в связи с механизацией и автоматизацией производственных процессов, физическое (механическое) напряжение в трудовой деятельности играет все меньшую роль, но значительно возрастают нагрузки на высшую нервную деятельность, усложняется работа мозга. Монотонные нагрузки приводят прежде всего к функциональным изменениям ЦНС, происходит уменьшение адаптивных резервов организма - снижение уровня бодрствования, повышение вариативности физиологических показателей, дезорганизация основных нервных процессов, снижение их подвижности. Происходят изменения параметров вегетативных процессов: уменьшается частота пульса, увеличивается коэффициент вариативности сердечного ритма, снижается артериальное давление (в большей степени систолическое), уменьшается частота дыхания. Все это относится к сложным, хаотически-самоорганизующимся функциональным системам и может является предметом изучения в области биофизики сложных систем.

В условиях сменной работы немаловажное значение для адаптации организма к условиям производственной среды имеют циркадные и сезонные ритмы, а также биологические, анатомо-физиологические, биохимические,

иммунологические и другие особенности организма человека. На параметры организма человека в условиях Севера, воздействует и целый ряд экологических факторов, например, резкие перепады температур и давления, влажности и освещенности. При этом реакции системы кровообращения и, в частности, ее регуляторных механизмов могут рассматриваться как результат адаптации организма к большому числу разнообразных факторов среды и условиям производства. Процессы функциональных изменений со стороны сердечнососудистой системы (ССС) включают в себя пролиферацию гладкомышечных клеток сосудов, в результате чего изменяется соотношение толщины стенки к просвету сосуда, что приводит к повышению периферического сопротивления, увеличению жесткости аорты и крупных эластических сосудов и повышению

скорости распространения пульсовой волны. В этой связи оценка хаотической динамики поведения вектора состояния ССС человека в условиях северного производства является актуальной задачей, так как может возникнуть новое понимание динамики ранних исследований кардио-респираторной системы (КРС) человека на Севере. Это позволит по-новому представить общую работу КРС в условиях трудовой деятельности, расширить наши знания в области биофизики сложных систем. Последние и составило основу настоящих исследований и определило их актуальность.

Цель работы: установить количественные закономерности хаотического поведения вектора состояния организма работающих (ВСОР), находящихся в условиях трех режимов суточной динамики (ночная, дневная и суточная смены) в условиях северного производства. Задачи исследования:

1. Методами статистики изучить особенности ССС работников двух категорий работающих в условиях Севера: при высокой и низкой интенсивности физической нагрузки.

2. На основе анализа параметров квазиаттракторов и матриц межаттракторных расстояний у работающих в условиях высокой интенсивности труда, выявить различия в функциональном состоянии организма обследуемых до и после работы.

3. С использованием метода расчета матриц межатгракторных расстояний, выявить закономерности поведения параметров квазиаттракторов у работающих с низкой интенсивностью физической нагрузки.

4. Произвести сравнительный анализ групповых и индивидуализированных матриц межатгракторных расстояний для категорий работающих с интенсивной и низкой физической нагрузкой и в условиях различных режимов труда.

Научная новизна исследований:

1. Впервые разработаны и внедрены методы идентификации и диагностики сложных биофизических систем, позволяющие проводить исследования реакций функциональных систем организма на различные внешние возмущающие действия.

2. Выполнен анализ и построены математические модели суточной динамики изменения показателей ССС у работающих в условиях высокой и низкой интенсивности труда на Севере РФ.

3. Получены новые данные о состоянии ССС у разных категорий работников Югры.

4. Получены новые данные о состоянии ССС как для групповых измерений, так и для отдельного человека в условиях сменного труда путем анализа матриц межатгракторных расстояний движения вектора состояния организма человека в условиях северного производства.

Научно — практическая значимость. Разработанные методы перспективны в индивидуализированной экологии человека и персонифицированной медицине. Новые программные продукты на базе ЭВМ и модели могут быть использованы для обеспечения физиологического контроля за состоянием функциональных

систем организма работающих в условиях Севера РФ, в целях профилактики профессиональных заболеваний., Они также, обеспечивают получение объективной информации о состоянии физиологических функций каждого работника и об общей динамике группы обследуемых в условиях северного производства. Методы позволяют идентифицировать основные функции организма работников и изменения, происходящие под влиянием суточного режима работы. Это обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма при хронобиологических исследованиях и находит применение в биофизике сложных систем.

Внедрение результатов исследований. Методы индивидуальной хронобиологии внедрены в НИИ экологии Волжского бассейна РАН. Разработанные методы и модели прошли апробацию и внедрены в НИИ Новых медицинских технологий (г. Тула), апробированы в структурах НТМА. Результаты исследований используются при подготовке студентов в Сургутском государственном университете, а также в лекционных курсах и практических занятиях по биофизике, экологии человека и хронобиологии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедральных семинарах при Сургутском государственном университете; международной научной конференции "Синергетика природных, технических и социально-экономических систем" (Тольяти, 2010); на открытой окружной конференции "Наука и инновации XXI века" (Сургут, 2012); международной научной конференции "Биометрические науки и третья парадигма" (Хургада, 2013).

Личный вклад автора. Автором лично выполнены все исследования показателей сердечно-сосудистой системы работников ХМАО-Югры. С непосредственным участием автора разработаны методы идентификации и диагностики сложных биомеханических систем на примере постурального тремора и программ для ЭВМ. 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 60-80 %.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10 печатных работах, в том числе шесть работ в рекомендуемых ВАК изданиях (перечень приведен в конце автореферата).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав (Теоретическая часть, Материалы и методы, Результаты исследований и их обсуждение), заключения, выводов, списка литературы (175 источников, в том числе 144 отечественных и 31 иностранных) и 4 приложений. Работа изложена на 122 страницах, содержит 16 таблиц и 23 рисунка. Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ показателей ССС в фазовом пространстве у работников с высокой и низкой интенсивностью труда обеспечивает эффективный прогноз в восстановлении функции или развития патологии на раннем этапе.

2. Закономерности изменений параметров ССС после трудовой деятельности в ночную и дневную смену, с суточным режимом работы необходимо

индивидуально оценивать для прогноза состояния жизненно важных функций.

3. Расчет параметров аттракторов поведения ВСОЧ позволяет идентифицировать различия в состоянии ФСО у работников до и после трудовой смены.

4. Анализ особенностей регуляции параметров кардиоинтервалов с позиций теории хаоса-самоорганизации обеспечивает диагностику организма работников с различной интенсивностью труда

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИ

Исследования проводились на группах работников, работающих и проживающих на Севере РФ в условиях высокой и низкой интенсивности труда. Проводился мониторинг работников охраны Сургутского государственного университета, работающих в ночную смену, работников Отдела вневедомственной охраны, работающих в суточном режиме, работников Сургутского Хлебозавода, имеющих режим работы в дневную и ночную смены. Всего было обследовано 66 человек от 24 до 59 лет до начала рабочей смены и после ее окончания.

Обследование работников производилось неинвазионным методом, с помощью пульсооксиметра ЭЛОКС-01 М. В устройстве имеется специализированный оптический датчик, с помощью которого производится регистрация пульсовой волны с одного из пальцев кисти. Прибор непрерывно определяет индикацию значений степени насыщения гемоглобина крови кислородом (БрОг), а так же значений частоты сердечных сокращений (ЧСС).

Пульсооксиметр снабжен программным продуктом «ЕЬОСЯАРН», который в автоматическом режиме позволяет отображать изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов (ЫМ). Измерения параметров вариабельности сердечного ритма (ВСР) производилось в положении испытуемого сидя в относительно комфортных условиях.

Таким образом были получены массивы данных, характеризующие процессы управления основными жизненными функциями организма человека в условиях производственной среды обитания.

Статистическая обработка данных осуществлялась при помощи программного пакета (^айэ^са 6.1». Анализ соответствия вида распределения полученных данных закону нормального распределения производился на основе вычисления критерия Шапиро-Уилка.

Выявлено, что не все параметры спектра ВСР описываются законом нормального распределения, поэтому дальнейшие исследования зависимостей производились методами непараметрической статистики. Поскольку сравнения переменных не описываются законом нормального распределения, то они выполнялись при помощи критерия парных сравнений Вилкоксона, а параметров в случае его нормального распределения, с использованием двухвыборочного критерия Стьюдента.

Расчет параметров квазиаттракторов производился при помощи «Программы идентификации параметров квазиаттракторов поведения вектора состояния биосистем в /я-мерном фазовом пространстве» (Свидетельство № 2006613212 от 13.09.2006 г.)

Для расчета поочередно вводятся исходные компоненты ВСОЧ в виде матриц А биосистемы по каждому из к кластеров (всего таких матриц р). Получается матрица, состоящая для всех р кластеров в т - мерном фазовом пространстве, причем ' — бегущий индекс компонента вектора х (' = !.—а у — номер биообъекта (испытуемого) (■/ = бегущий индекс кластера к определяет

число массивов (групп испытуемых) данных (* = '••—р), т.е. элемент такой (А)

к

матрицы '' представляет к-й кластер биосистем, /-й компонент ВСОЧ для у-го испытуемого.

Одновременно производится поочередный расчет координат граней параллелепипеда объемом VG, внутри которого находится квазиатграктор

движения ВСОЧ для всех j-x исследуемых (-' = 1-••>") из £-го кластера (* = 1.....р).

Рассчитывались размеры граней D' ° X"max| ~ х,'тш| , и объема к-го параллелепипеда

'с = П

, где Xl>M■>'*'(»»*> координаты крайних точек, совпадающих с нижней и верхней (левой и правой) границей области ФПС, внутри которой движется ВСОЧ по координате xic.

Программа ЭВМ позволяет рассчитать все векторы объемов квазиаттракторов

(General Value) v = , ограничивающих все р квазиаттракторов, а также

показатели асимметрии (Asymmetry) стохастического

X s = fxs Xs Xs IТ X 1 = (Xs Xs Xs f

I а- 12- im р рг Р2■■■ и хаотического центров квазиаттракторов

для каждого к-го массива данных х' = <xu xn xCi„ >' х р = <x'Pi-xCV2 xi>m ) _

Параметр R показывает степень изменения объема квазиаттракторов для к-го кластера данных до и после уменьшения размерности фазового пространства и в исходном приближении вычисляется как д» = - v«>v»'.

В итоге получаем вектор значений, по которым можно определить уменьшилась или увеличилась относительная величина квазиаттракторов VG при изменении размерности фазового пространства.

В данной диссертационной работе определялись все интервалы изменения Ах, по 15-ти координатам, показатели асимметрии Rx, а также рассчитывался общий объем /л-мерного параллелепипеда V (General value), ограничивающего квазиаттрактор ВСОЧ. Были получены таблицы данных, представляющие размеры Дх, и показателя асимметрии Rx для каждой координаты х, и объемы параллелепипедов Vx.

Матрицы межаттракторных расстояний рассчитывались на основании зарегистрированных параметров ФСО работников, которые образовывали наборы (компартменты) диагностических признаков в пределах одной фазовой координаты Xic — из набора всех координат m-мерного фазового пространства с одинаковыми диагностическими характеристиками. Каждый работник, имеющий

свои компоненты вектора состояния организма данного человека задавался точкой в этом фазовом пространстве состояний (ФПС). А группа испытуемых образовывала некоторый квазиаттрактор. При этом разные группы обследуемых из-за разных воздействий на них образовывали различные квазиаттракторы в ФПС и расстояния zv— (к и f— номера групп обследуемых) между хаотическими или стохастическими центрами этих квазиаттракторов формировали матрицу Z. Эта матрица задает все возможные расстояния между хаотическими или стохастическими центрами квазиаттракторов, описывающих состояние разных групп обследуемых до и после рабочей смены и различных по степени интенсивности труда, что является интегративной мерой оценки состояния ССС человека, находящегося в различных производственных условиях, или с учетом других различий.

Для построения персонифицированных фазовых портретов и дальнейшего построения персонифицированных матриц в качестве основного параметра использовались значения межимпульсных интервалов сердечных сокращений (NN). Последовательность NN с помощью преобразования Фурье переводилась в непрерывную функцию х, y=dx/dt, строились фазовые траектории поведения NN во времени и определялись параметры квазиаттрактора, внутри которого наблюдалось движение регистрируемого вектора состояния системы х=(х,у)т. Для сравнительного анализа, в рамках ТХС и традиционно стохастического подхода, были также рассчитаны значения энтропии Шеннона, как показателя уровня хаоса в сигнале, площади квазиатгракторов SG, для определения уровня вариабельности сердечных сокращений и расстояния между хаотическими центрами квазиаттракторов до и после смены.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В диссертационной работе проводились измерения в трех производственных группах. В первую группу входили работающие в ночную смену с низкой интенсивностью труда. Во вторую группу работающие в суточном режиме с низкой интенсивностью труда. В третью группу были включены работники с высокой интенсивностью труда с режимом работы в ночную и дневную смены.

Измерения активности отделов ВНС работников производились по следующим параметрам: х0=ЧСС (частота сердечных сокращений), Xi=NN (длительность кардиоинтервалов), x2=SP02 (степени насыщения гемоглобина крови кислородом), x3=SIM (индекс активности симпатического звена ВНС), х4= PAR (индекс активности парасимпатического звена ВНС) , Xs=SDNN (стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов) , х6= HRV (интеграл плотности распределения R-R), х7= IB (индекс напряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому) , x8=VLF (мощность спектра сверхнизкочастотного компонента вариабельности), xg=LF (мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности), x10=HF (мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности), Хц= Total (общая мощность спектра), х12= Lfnorm (нормализованная спектральная мощность низких частот),

х13= Н^отт (нормализованная спектральная мощность высоких частот), хи= Ы/Ш (отношение низкочастотной к высокочастотной составляющей).

Произведенный расчет методами статистики показал невозможность установления достоверных различий в параметрах ССС между группами работников с высокой и низкой интенсивностью труда. Результаты сравнения параметров квазиаттракторов вектора состояния организма представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты сравнения параметров квазиатгракторов вектора состояния организма работников до и после смены_

Группа работников Параметры квазиатгракторов, у.е.

VG Rx

До трудовой смены После трудовой смены До трудовой смены После трудовой смены

Работники с низкой интенсивностью труда (ночная смена) 1,26* 1032 1,37*1033 4 607,91 10 091,99

Работники с низкой интенсивностью труда (сутки) 1,42*1035 1,46*1032 11 942,53 4 456,27

Работники с высокой интенсивностью труда (дневная смена) 1,37*1033 7,7* 1033 5 132,31 13 915,55

Работники с высокой интенсивностью труда (ночная смена) 2,99* 1032 5,37*1032 8 233,92 5 320,37

Из таблицы 1 следует, что у работающих с низкой интенсивностью труда в ночную смену общий коэффициент асимметрии Rx до трудовой смены 4 607,91 у.е., а после смены — 10 091,99 у.е. Объем m-мерного параллелепипеда Vq, ограничивающего квазиаттрактор, составляет 1,26*1032 у.е. до смены и 1,37*1033 у.е. после, т.е. отмечается увеличение объема КА в 11 раз после трудовой смены по сравнению с исходным объемом и увеличение коэффициента асимметрии в 2,2 раза. У работающих в суточном режиме труда общий коэффициент асимметрии (Rx) до смены был равен 11 942,53 у.е., а после 4 456,27 у.е. Объем квазиаттрактора Vq составил 1,42*1035 у.е. до трудовой смены и 1,46*1032 у.е. после, т.е. значительно уменьшился (на три порядка) после смены (табл. 1).

С помощью метода исключения отдельных признаков был выполнен системный синтез, учитывающий влияние х, признака (в нашем случае это параметры ВНС) на величину z (расстояние между центрами квазиаттракторов). Было установлено, что у работающих с низкой интенсивностью труда в ночную смену наиболее значимым является признак zl2 (показатель Total), так как при его исключении существенно изменяется расстояние и составляет :,2= 1021,00 у.е..

Параметр R0 при анализе объемов квазиаттракторов показывает степень изменения объема для каждого кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства. В случае уменьшения относительных размеров объемов (Vx), анализируя параметры системы, можно сделать, вывод о существенной (при существенном изменении) или несущественной (параметры практически неизменны) значимости конкретного, каждого компонента для всего

векторах = (х,,х2,...,хт)г. При поочередном исключении признаков отмечаем, что наиболее значимым является Rn= 80,88% (HF), именно при его исключении объемы существенно уменьшаются.

Расстояние между хаотическими центрами квазиаттракторов до и после суточной смены работников составляет -0 = 3447,23 у.е.. Методом исключения отдельных признаков было установлено, что наиболее значимым является признак Zt2 (показатель Total), при его исключении существенно изменяется расстояние и составляет = 1752,82 у.е., т.е. снижается в 2 раза по сравнению с исходным.

При анализе объемов квазиаттракторов было выявлено, что параметр Ro составляет 99,92%, который показывает степень изменения объема квазиаттракторов для каждого кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства. Наиболее значимой Л, не выявлено.

В результате анализа полученных данных установлено расширение объема квазиаттрактора в 11 раз в группе с низкой интенсивностью труда, работающих в ночную смену. При этом общий показатель асимметрии увеличивается в 2,2 раза. У работающих в дневную смену общий коэффициент асимметрии Rx до трудовой смены 5 132,31 у.е., а после смены - 13 915,55 у.е. Объем /я-мерного параллелепипеда Vc„ ограничивающего квазиаттрактор, составляет 1,37*10 3 у.е. до смены и 7,7*1033 у.е. после. Отмечается увеличение объема квазиаттрактора в 6 раз после трудовой смены по сравнению с исходным объемом и увеличение коэффициента асимметрии в 2,7 раз.

У работающих в ночную смену общий коэффициент асимметрии (Rx) до смены был равен 8 233,92 у.е., а после 5 320,37 у.е. Объем квазиаттрактора VG составил 2,99*1032 у.е. до трудовой смены и 5,37*1032 у.е. после, т.е. увеличился в 1,8 раза после предъявления трудовой нагрузки (табл. 1). Показатель асимметрии Rx в группе с интенсивной физической нагрузкой более высок в вечернее время (13 915,55 у.е. после смены и 8 233,92 у.е. до трудовой смены) чем в утренние часы. Причем показатель асимметрии в 2,6 раз больше в вечернее время после трудовой смены, чем до нее. Объем же квазиаттрактора не зависит от времени суток и стабильно расширяется после трудовой смены (в 6 раз после дневной и 1,8 раз после ночной смены). Методом исключения отдельных признаков был выполнен системный синтез, учитывающий влияние х, признака (в нашем случае это параметры ВНС) на величину г (расстояние между центрами квазиаттракторов). Было установлено, что при работе в дневную смену наиболее значимым является признак :i2 (показатель Total), так как при его исключении существенно изменяется расстояние и составляет — 1721,75 у.е. Расстояние между центрами двух квазиаттракторов движения ВСОР до и после трудовой нагрузки в дневное время составляет ~0 = 2804,75 у.е.

При анализе объемов квазиаттракторов, следует обратить внимание на параметр Ro (относительная погрешность). Этот параметр показывает степень изменения объема для каждого кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства. В случае уменьшения относительных размеров объемов (Vx), анализируя параметры системы, можно сделать вывод о существенной (при существенном изменении) или несущественной (параметры практически

неизменны) значимости конкретного, каждого х, компонента для всего вектора x = (xl,x2,...,xmf. При поочередном исключении признаков отмечаем, что наиболее значимым является R3= 77,94% (SP02), именно при его исключении объемы существенно уменьшаются.

Расстояние между хаотическими центрами квазиатгракторов до и после трудовой нагрузки работающих в ночное время составляет 1852,59 у.е. Методом исключения отдельных признаков было установлено, что наиболее значимым является признак z12 (показатель Total), при его исключении существенно изменяется расстояние и составляет = 941,36 у.е., т.е. снижается в 2 раза по сравнению с исходным.

При анализе объемов квазиаттракторов было выявлено, что параметр R0 , составляет 42,08 %, который показывает степень изменения объема квазиаттракторов для каждого кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства. Установлено, что наиболее значимым является Ris= 11,59% (Lf/Hf), т.к. именно при его исключении объемы существенно уменьшаются.

Было выявлено, что показатель Rx, не ведет себя подобным образом как Vq, а зависит от времени суток. В утренние часы общий коэффициент асимметрии уменьшается, а к вечеру увеличивается. Причем после трудовой смены Rx у работников увеличивается гораздо больше, чем у работников заступающих на смену.

Основной блок исследования посвящен расчету элементов матриц межаттракторных расстояний zy работников с высокой и низкой интенсивностью труда до и после рабочей смены.

Таблица 2 представляет весь набор межаттракторных расстояний для двух кластеров испытуемых (работников с низкой интенсивностью труда до и после смены). Параметр Zy — расстояния между (/-ми, у'-ми) хаотическими центрами квазиаттракторов двух изучаемых групп (компартменгов) испытуемых.

Таблица 2

Матрицы идентификации расстояний (.¡ру.е.) между хаотическими центрами квазиаттракторов вектора состояния организма работающих с низкой интенсивностью труда в ночную и суточную смены до и после смены в 15-

Работники до смены

Работники после смены Ночная смена (1 группа) Суточная смена (2 группа) Сумма Ср.знач.

Ночная смена (1 группа) z, 1=7402,54 Z12=7438,64 14841,18 7420,59

Суточная смена (2 группа) z2i=l 1713,79 z22=l 1357,29 23071,08 11535,54

Сумма 19116,33 18795,93

Ср.знач. 9558,17 9397,97

Минимальное межаттракторное расстояние ц отмечается при сравнении работников 1-й группы до трудовой смены с 1-й группой работников после смены, которое составляет ^//=7402,54 у.е. Продолжая сравнение с 2-й группой, отмечаем межаттракторное расстояние г/2=7438,64 у.е.

Наибольшее межаттракторное расстояние можно наблюдать при сравнении работников 2-й группы после суточной смены с 1-й группой до ночной смены 221=11713,79 у.е., а также при сравнении с 2-й группой работников до суточной смены - 222=11357,29 у.е. Полученный результат свидетельствует о влиянии производственных факторов на организм следующим образом: происходит рассогласование параметров ФСО, что наблюдается при сравнительном анализе межаттракторных расстояний 2-х групп работников (кластер работников до смены) со 2-й группой работников 2-го кластера (после смены), где наблюдаются наибольшие значения параметров В отличие от аналогичного сравнения 2-х групп кластера работников до смены с 1-й группой 2 кластера работников после смены, где установлены наименьшие значения параметра гу, что свидетельствует о формировании состояния адекватной мобилизации для группы испытуемых, работающих в ночную смену.

Далее представлены результаты идентификации расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов вектора состояния организма работников с высокой интенсивностью труда в 15-мерном фазовом пространстве состояний.

Таблица 3 представляет набор межаттракторных расстояний для двух кластеров испытуемых (кластер работников до смены, который содержит 2 квазиаттрактора (работающих в дневную и ночную смены), и кластер работников после смены). Параметр -,у - расстояния между (/-ми, _/-ми) хаотическими центрами квазиаттракторов двух изучаемых компартментов испытуемых.

Между положением квазиаттракторов ВСОР с высокой интенсивностью труда имеется существенные различия при сравнении двух кластеров данных до и после смены. Наибольший параметр :и отмечается при сравнении компартментов до и после дневной смены :33~\2\0)2,П у.е., что свидетельствует о существенном влиянии трудовой нагрузки на параметры ФСО (табл. 3).

При общем (суммарном) значении расстояний г,у между хаотическими центрами квазиаттракторов (при сложении всех элементов столбцов) наибольшие отличия были получены для 2-й группы после суточной смены (23071,08 абсолютно и 11535,54 усреднено). В отличие от 4-й группы работников (работающих в ночную смену в условиях) установлены наименьше значения расстояний г,; между квазиаттракторами: 6779,06 — абсолютно и 3389,53 — усреднено.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что трудовая нагрузка вызывает выраженное напряжение ССС у работников с высокой интенсивностью труда в дневную смену, что может быть связано с повышенной нервной напряженностью в это время суток.

Таблица 3

Результаты идентификации расстояний у.е.) между хаотическими

центрами квазиаттракторов вектора состояния организма работников с высокой интенсивностью труда до и после смены в 15-мерном фазовом пространстве

Работники до смены

Работники после смены Дневная смена (3 группа) Ночная смена (4 группа) Сумма Срлнач.

Дневная смена (3 групп) г,,- 12102.27 г м-6630.30 18732.57 9366,29

Ночная смена (4 |рупиа) г«- 1896.53 г«- 4882.53 6779,06 3389,53

Сумма 13988.80 11512.83

С'р. 1нач. 6999,4 5756,42

Наиболее наглядно динамика матриц межаттакторных расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов вектора состояния работников по усредненным значениям до и после трудовой смены представлена на рисунке 1. Как можно заметить, рост усредненных межаттакторных расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов вектора состояния работников после смены наблюдается во 2-й (с низкой интенсивностью труда и суточным режимом работы) и 3-й (с высокой интенсивностью труда и дневным режимом работы) группах. Это может служить подтверждением развития различной степени дезадаптации и гипокинезии у работников северных производств. В группах же работающих в ночную смену с высокой и низкой интенсивностью труда усредненные после трудовой смены уменьшаются, что может представиться хроноэкологической особенностью сменного режима труда.

11*и.*4

1«**) ("==

4 группа

Рис. I. Динамика межаттакторных расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов вектора состояния работников по усредненным значениям до и после трудовой смены в 15- мерном фазовом пространстве

состояний

Далее рассмотрим динамику параметра - расстояния между (£-ми, /-ми) стохастическими центрами квазиаттракторов двух изучаемых групп (компартментов) испытуемых.

В таблице 4 представлены матрицы идентификации расстояний (ху, у.е.) между стохастическими центрами для работающих с низкой интенсивностью труда. Следует отметить, что для групп работников с низкой интенсивностью труда коэффициент корреляции Спирмена Яху - 0,94, что является показателем высокой тесноты связи между матрицами межатгакторных расстояний между стохастическими и хаотическими центрами.

Действительно, распределение матриц межаттракторных расстояний между стохастическими центрами квазиаттракторов ВСОЧ полностью соответствует распределению межаттракторных расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов ВСОЧ. Наибольший средний параметр гу отмечается после суточной смены 3666,29 у.е., а наименьший после ночной смены 1948,87 у.е. (табл. 4).

Таблица 4

Матрицы идентификации расстояний у.е.) между стохастическими центрами для работающих с низкой интенсивностью труда в ночную и суточную

Работники до смены

Работники после смены Ночная смена (1 группа) Суточная смена (2 группа) Сумма Ср.знач.

Ночная смена (1 группа) 2Ц=1918,29 г12=1979,45 3897,74 1948,87

Суточная смена (2 группа) г21=3885,35 г22=3447,23 7332,58 3666,29

Сумма 5803,64 5426,68

Ср.знач. 2901,82 2713,34

Таблица 5

Результаты идентификации расстояний у.е.) между стохастическими центрами для работников с высокой интенсивностью труда до и после смены в

Работники до смены

Работники после смены Дневная смена (3 группа) Ночная смена (4 группа) Сумма Ср.знач.

Дневная смена (3 группа) 2зз=2804,75 2 34=687,35 3492,10 1746,05

Ночная смена (4 группа) 243= 1225,56 244= 1852,59 3078,15 1539,08

Сумма 4030,31 2539,94

Ср.знач. 2015,16 1269,97

Отличающиеся результат« получены для матриц идентификации расстояний (:¡ф, у.е.) между стохастическими центрами квазиаттракторов вектора состояния организма работающих с высокой интенсивностью труда (табл.11).

Коэффнциеэт корреляции Спирмена - 0,73 между матрицами

межаттакторных расстояний между стохастическими и хаотическими центрами квазиаттракторов ВСОЧ, что значительно ниже связи между двумя этими показателями в группах с низкой интенсивностью труда. Наибольший параметр также отмечается при сравнении компартментов до и после дневной смены г»-12102,27 у.е., но динамика матриц межаттакторных расстояний между стохастическими центрами квазиаттракторов вектора ВСОЧ по усредненным значениям до и после трудовой смены резко отличается: рост усредненных межаттакторных расстояний между стохастическими центрами

квазиаттракторов вектора состояния работников после смены наблюдается в 4-й группе, а снижение в 3-й группе (что является диаметральным результатом по сравнению с хаосом).

Рис 2. Динамика матриц межаттакторных расстояний между стохастическими центрами для работников по усредненным значениям до и после трудовой смены в 15- мерном фазовом пространстве состояний

Для определения индивидуальных особенностей вариабельности сердечного ритма каждого испытуемого, был построен фазовый портрет траектории поведения NN во времени и определялись параметры квазиаттрактора, внутри которого наблюдалось движение регистрируемого вектора состояния системы.

В таблице 6 представлены значения энтропии Шеннона- Б*, площади квазиаттракторов • Бо , расстояния между хаотическими центрами квазиаттрактора гс до и посте смены для группы испытуемых работающих в суточном режиме с низкой интенсивностью труда.

Таблица 6

Сравнение значений энтропии Шеннона, площади и расстояния между хаотическими центрами квазиаттракторов до и после смены для группы испытуемых работающих в суточном режиме с низкой интенсивностью труда.

Иг

ИСПЫТ

5с до счены

5с

после смсиы

ло смены

после смены

98000

40000

19800

8800

3.28

2.63

2.06

1,07

195.06

20.00

72500

42000

2.71

2.57

190,07

89100

336600

3,27

3.24

293.47

60000

2.77

3,02

49.24

23800

6300

17600

1.82

8000

135

2.14

1,39

90.55

47.43

17100

21000

171600

2.28

130200

2.05

3.44 3,48

256.76

31.62

10

46000

ЮЮОО

3.32

36.06

II

N0400

29400

3.42

2,54

189.27

12

25000

47500

2,52

2.89

110.11

13

975800

27000

1.63

2.36

374.83

14

50000

63800

2,69

2.73

35,36

15

60000

151200

2.95

3.27

215.93

16

81200

3.08

3.44

121.66

17

77500

54400

3.05

197,29

18

42500

13000

2,96

1,67

160.08

19

11000

7200

_Ь65_

1.31

110.00

20

17000

........

2.32

1,92

30,41

21

64400

7000

2.81

1.58

123,69

22

18700

ЗЗООО

2.03

_125_

170.07

23

72000

55000

2,94

2.82

68.01

24

98800

23400

2,94

1,66

5.00

В группу испытуемых работающих в суточном режиме с низкой интенсивностью труда входили 24 человека в возрасте от 26 ло 48 лет (средний возраст 36 лет). Как виано из таблицы 6. изменения наблюдаемых значений до и после смены у каждого испытуемого индивидуальны. В 33% случаев наблюдается увеличение площадей квазиаттракторов, значения энтропии Шеннона возрастают, что свидетельствует о понижении уровня упорядоченности в режиме работы сердечного ритма и увеличении уровня хаоса. В 38% случаев происходит сжатие квазиаттрактора, значения энтропии Шеннона при этом уменьшаются, т.е. происходит обратный процесс. Уменьшение площади квазиаттрактора и возрастание энтропии Шеннона происходит у 17% испытуемых, а увеличение площади КА и уменьшении энтропии у 12%.

Наибольшее расстояние между хаотическими центрами квазиатгракторов наблюдалось у испытуемого № 13 - 374,83 у.е., а наименьшие у испытуемого №24-5 у.е. Рассмотрим фазовые портреты данных испытуемых.

к Бс-^воо

^-27000

Рис 3 для

Фазовый портрет сигнала NN на плоскости с координатами х, у=Лх/Л\, испытуемого №13 с низкой интенсивностью труда. до( I) и после (II) суточной смсны

--4-

|

..и..—

к

чп чн

Рис 4 Распределение значений кардиоинтервалов при расчете энтропии Шеннона для испытуемого №13 с низкой интенсивностью труда до ( I) и после (II) суточной смсны

Как видно из рис. 3 у испытуемого № 13 после суточной смены К А сжимается, но при этом значение энтропии Шеннона возрастает, что говорит об уменьшении устойчивости БДС. На рис. 4 представлены гистограммы

распределения частот попадания регистрируемых кардиоинтервалов NN (в msec) в один из интервалов разбиения.

ч>

- So"98800

< чс я я а ж

Sg-23700

Рис 5. Фазовый портрет сигнала NN на плоскости с координатами х, у=<1х/(И. для испытуемого №24 с низкой интенсивностью труда: до (I) и после (II) суточной смены

Для испытуемого № 24 также характерно уменьшение площади КА, и уменьшение энтропии Шеннона (рис. 5.6).

Ж V 1С м «X W 1П)

ш я а в м к 1U0

Рис 6 Распределение значений кардиоинтервалов при расчете энтропии Шеннона для испытуемого №24 с низкой интенсивностью труда до (I) и после (II) суточной смены

При анализе индивидуализированной матрицы испытуемых работников с низкой интенсивностью труда, работающих в суточном режиме были отмечены следующие особенности: хаотические центры испытуемого №6 до смены и испытуемого №16 совпадают (гс=0). Максимальное межатгракторное расстояние г{ отмечается при сравнении испытуемого №8 до трудовой смены с испытуемым №5 после смены (гс=600.42).

При общем (суммарном) значении расстояний гс между хаотическими центрами квазиаттракторов (при сложении всех элементов столбцов) наибольшие отличия были получены между испытуемыми № 13 (до смены) и № 22 (после смены). Наименьшие средние значения установлены для испытуемых № 6 (до смены) и № 16 (после смены).

Согласно полученным результатам изучение динамики параметров матриц межатгракторных расстояний может использоваться для оценки воздействия производственных факторов на организм работников с целью планирования требований к персональной нагрузке, а также для оценки условий труда.

ВЫВОДЫ

1. Методами статистики затруднительно установить наличие существенных различий в параметрах ФСО между группами работников с высокой и низкой интенсивностью труда, различия часто получаются статистически недостоверными.

2. Прослеживается динамика в сторону увеличения объемов квазиаттрактора вектора состояния организма работающих в ночную и дневную смену, а у работающих в суточном режиме в сторону уменьшения.

3. В группах, работающих с высокой интенсивностью труда более выраженные изменения параметров ССС наблюдается у работников в дневную смену, что обусловлено двумя вкладами: суточной динамикой ВСОР (различия между утром и вечером в рамках хронобиологии) и выполнением физической нагрузки. Поскольку межаттракторное расстояние в утренний период между работающими и неработающими составляет 1897 у.е., а в вечернее время (отработавшие и приступившие к работе) различие ъ составляет 6630 у.е., то существует сдвиг в параметрах, обусловленный работой, мы имеем в дневное время Дг = 4733 у.е., а сама суточная динамика (за дневное время) составляет 5472 у.е.

4. Наибольшие межаттракторные расстояния в группах работающих с низкой интенсивностью труда наблюдаются у работников после суточной смены, что позволяет идентифицировать данные условия труда как наиболее неблагоприятные.

5. Разработанные и внедренные методы идентификации и диагностики сложных биофизических систем позволили провести индивидуализированную оценку ССС каждого работника, что может внести существенный вклад в организацию индивидуального режима труда на предприятиях, а для работника поможет с выбором сменности труда. Периодический мониторинг работников в рамках данного направления может быть рекомендован в качестве производственного контроля при сменном режиме труда.

6. Установленные количественные закономерности динамики поведения ВСОР и рассчитанные матрицы межатракторных расстояний позволили выявить особенности воздействия суточного режима труда с высокой и низкой интенсивностью. Самые неблагоприятные условия выявлены для группы работающих в суточном режиме.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Методы идентификации объемов квазиаттракторов состояния организма работников со сменным режимом труда рекомендуются к применению в области охраны труда, промышленной санитарии, аттестации рабочих мест по условиям труда.

2. Метод расчета групповых и индивидуализированных матриц межаттракторных расстояний целесообразно внедрять в работу научно-исследовательских медицинских учреждений и учреждений практического здравоохранения, ориентированных на выявление профессиональных патологий работников, подверженных десинхрозу.

Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК при соискании ученой степени кандидата наук:

1. Васильева, А.Ю. Сравнительный анализ стохастических и хаотических матриц квазиаттракторов поведения вектора состояния организма коренного и пришлого населения Югры./ В.М. Еськов, Г.В. Газя, A.A. Соколова и др. // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. -2012.-Том11 - №3,- С. 586-591

2. Васильева, А.Ю. Анализ и синтез параметров состояния вегетативной нервной системы коренного и пришлого населения Югры. / В.М. Еськов, Г.В. Газя, A.A. Соколова и др.// Вестник новых медицинских технологий. Т. XIX, №4. - 2012. - с. 18-21.

3. Васильева, А.Ю. Сравнительный анализ стохастических и хаотических матриц квазиаттракторов поведения вектора состояния организма работников нефтегазового комплекса, подверженных хроническому воздействию электромагнитных полей. / В.М. Еськов, Г.В. Газя, A.A. Соколова и др.// Вестник новых медицинских технологий. Т. XIX, №4. -

2012.-с. 23-26.

4. Васильева, А.Ю. Хаотическая динамика параметров сердечно-сосудистой системы человека в ответ на шумовые воздействия [Электронный ресурс]. / Д.А. Дегтярев , Д.К. Берестин , А.Ю. Васильева и др. // Вестник новых медицинских технологий №1. - 2013. — Режим доступа: http://medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2013-l/4338.pdf.

5. Васильева, А.Ю. Влияние раздражения слухового анализатора на параметры сердечно-сосудистой системы с позиций теории хаоса-самоорганизации [Электронный ресурс]. / Т.В. Гавриленко, Т.Ю. Поскина, Д.А. Сидоренко и др. // Вестник новых медицинских технологий №1. -

2013. - Режим доступа: http://medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2013-l/4338.pdf.

6. Васильева, А.Ю. Матрицы межаттракторных расстояний в оценке вектора состояния кардио-респираторной системы работников с высокой и низкой интенсивностью труда в условиях северного производства [Электронный ресурс]. / А.Ю.Васильева, В.Н. Кузнецова, H.A. Митющенко // Вестник

новых медицинских технологий №1. - 2013. - Режим доступа: http://medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2013-1 /4571 .pdf.

Статьи, опубликованные в других журналах, научных сборниках:

1. Максименя, А.Ю. Закон фрактального (самоподобного) развития человекомерных систем - основа динамической теории фракталов./ В.М.Еськов, А.А.Баптикова, А.Ю.Максименя и др. // Синергетика природных, технических и социально-экономических систем: сб. статей VIII Международной заочной научной конференции. - Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2010. - С.91-94

2. Максименя, А.Ю. Системный анализ поведения квазиаттракторов ВСОЧ больных, постоянно проживающих в условиях Севера РФ в стадии обострения хронических заболеваний в зависимости от пола и возраста. / Ю.Е.Гришаева, Ю.В.Добрынин, Е.С. Достовалов и др. // Экологический вестник Югории. - 2009. - T.VI, №3. - С.59-64.

3. Максименя, А.Ю. Изучение возможностей использования подпорогового зрительного восприятия в частичной реабилитации слабовидящих жителей Югры / Ю.Г. Бурыкин, И.В. Буров, Г.В. Газя и др. // Экологический вестник Югории. - 2009. - T.VI, №3. - С.69-73.

4. Васильева, А.Ю. Параметры хаотических матриц квазиаттракторов поведения вектора состояния организма работников нефтегазового комплекса./ А.Ю. Васильева, Р.Х. Габдульбарова, Д.Д. Даянова и др. // Наука и инновации XXI века: сб. статей I Всероссийской конференции молодых ученых. - Сургут. Изд-во СурГУ, 2012. - с.58-62.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ФСО- функциональное состояние организма

цнс- центральная нервная система

ссс- сердечно-сосудистая система

КРС- кардио-респираторная система

ВСОР- вектор состояния организма работника

КА- квазиаттрактор

Sp02- уровень насыщения гемоглобина крови кислородом.

чсс- частота сердечных сокращений

NN- длительность кардиоинтервалов

PAR- индекс активности парасимпатического звена ВНС

BCP- вариабельность сердечного ритма

ВНС- вегетативная нервная система

SIM- индекс активности симпатического звена ВНС

PAR- индекс активности парасимпатического звена ВНС

SDNN- стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов

HRV - интеграл плотности распределения R-R

IB - индекс напряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому

VLF- мощность спектра сверхнизкочастотного компонента вариабельности

LF- мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности)

HF- мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности

Total - общая мощность спектра

Формат 60x84/16. Объем 1,01 уч.-изд.л. Тираж 60 экз. Заказ №258. Отпечатано на ризографе в полиграфическом отделе СурГУ, 628400, г. Сургут, ул. Лермонтова, 5

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Васильева, Анастасия Юрьевна, Сургут

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ»

На правах рукописи

04201 364351

ВАСИЛЬЕВА Анастасия Юрьевна

МАТРИЦЫ МЕЖАТТРАКТОРНЫХ РАССТОЯНИЙ В ОЦЕНКЕ ДВИЖЕНИЯ ВЕКТОРА СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ТРУДОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Специальность 03.01.02 - Биофизика (биологические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: ЗДН РФ, доктор биологических наук, профессор В.М. Еськов

Сургут-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ФИЗИОЛОГИЯ ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА............................................................................................................8

1.1. Факторы производственной среды естественного (природного) и антропогенного характера..............................................................................................8

1.2.Характеристика экофакторов Ханты-Мансийского автономного округа, влияющих на функциональные системы организма человека..................................24

1.3. Особенности суточных изменений параметров функциональных систем организма работников в условиях северного производства.....................................30

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................43

2.1.Объект наблюдения и традиционные методы обработки данных.....................43

2.2. Методы обработки интегральных и временных показателей вариабельности сердечного ритма испытуемых с помощью матриц межаттракторных расстояний и методы сравненияхтохастики и хаоса........................................................................55

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ..............................................................................................................65

3.1. Особенности поведения параметров вектора состояния организма человека у работающих в условиях высокой и низкой интенсивности труда с позиции математической статистики..........................................................................................65

3.2. Закономерности поведения параметров квазиаттракторов у работающих в условиях низкой физической нагрузки в ночное время и посуточным графиком .67

3.3.Особенности поведения параметров квазиаттракторов у работающих в условиях высокой интенсивности труда в дневную смену и ночную смены.........70

3.4.Матрицы межаттракторных расстояний в оценке вектора состояния работников в условиях северного производства.......................................................73

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................97

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................................100

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................101

Приложение 1...............................................................................................................119

Приложение 2...............................................................................................................120

Приложение 3...............................................................................................................121

Приложение 4...............................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время неблагоприятные условия и форма организации производственной деятельности могут негативно сказаться на состоянии организма и качестве жизни человека. При этом по степени значимости физические факторы в этом плане играют ведущую роль. Интенсивный шум, вибрация, воздействие электромагнитных полей, изменение освещенности, особые температурные параметры производства оказывают стрессорное влияние на состояние функциональных систем организма (ФСО) человека (O.E. Филатова, В. М. Еськов, В.А Карпин, 2004). Кроме того, существенное воздействие на различные органы и организм в целом, оказывает характер и организация самой трудовой деятельности. Все это может привести к нарушению биоритмов и серьезным изменениям параметров ФСО.

Степень изменений функционального состояния организма в процессе трудовой деятельности прежде всего обусловливается тяжестью выполняемой при этом физической или умственной работы (Г.С. Козупица, 1999). Различия в состоянии ФСО под влиянием трудовых процессов (при их осуществлении) проявляется в первую очередь в режимах мышечной деятельности или состояниях центральной нервной системы (ЦНС). Уже сейчас, в связи с механизацией и автоматизацией производственных процессов, физическое (механическое) напряжение в трудовой деятельности играет все меньшую роль, но значительно возрастают нагрузки на высшую нервную деятельность, усложняется работа мозга. Монотонные нагрузки приводят прежде всего к функциональным изменениям ЦНС, происходит уменьшение адаптивных резервов организма - снижение уровня бодрствования, повышение вариативности физиологических показателей, дезорганизация основных нервных процессов, снижение их подвижности. Происходят изменения параметров вегетативных процессов: уменьшается частота пульса, увеличивается коэффициент вариативности сердечного ритма, снижается артериальное давление (в большей степени систолическое), уменьшается частота дыхания (В.М. Смирнов и др.,

2001). Все это относится к сложным, хаотически-самоорганизующимся функциональным системам и может являться предметом изучения в области биофизики сложных систем.

В условиях сменной работы немаловажное значение для адаптации организма к условиям производственной среды имеют циркадные и сезонные ритмы, а также биологические, анатомо-физиологические, биохимические, иммунологические и другие особенности организма человека. На параметры организма человека в условиях Севера, воздействует и целый ряд экологических факторов, например, резкие перепады температур и давления, влажности и освещенности (А.Б. Гудков, 1992). При этом реакции системы кровообращения и, в частности, ее регуляторных механизмов могут рассматриваться как результат адаптации организма к большому числу разнообразных факторов среды и условиям производства. Процессы функциональных изменений со стороны сердечно-сосудистой- - системы—(ССС) включают—в себя— пролиферацию гладкомышечных клеток сосудов, в результате чего изменяется соотношение толщины стенки к просвету сосуда, что приводит к повышению периферического сопротивления, увеличению жесткости аорты и крупных эластических сосудов и повышению скорости распространения пульсовой волны. (Лебедев П.А., Калакутский Л.И. и др., 2004). В этой связи оценка хаотической динамики поведения вектора состояния ССС человека в условиях северного производства является актуальной задачей, так как может возникнуть новое понимание динамики ранних исследований кардио-респираторной системы (КРС) человека на Севере. Это позволит по-новому представить общую работу КРС в условиях трудовой деятельности, расширить наши знания в области биофизики сложных систем. Последнее и составило основу настоящих исследований и определило их актуальность.

Цель работы: установить количественные закономерности хаотического поведения вектора состояния организма работников, находящихся в условиях трех режимов организации труда (ночная, дневная и суточная смены) в условиях северного производства.

Цель определила постановку и решение следующих задач:

1. Методами статистики изучить особенности сердечно-сосудистой системы работников с высокой и низкой интенсивностью труда, работающих в условиях ХМАО-Югры.

2. На основе анализа параметров квазиаттракторов и матриц межаттракторных расстояний вектора состояния организма работников с высокой интенсивностью труда выявить различия в функциональном состоянии организма обследуемых до и после работы.

3. Методом расчета матриц межаттракторных расстояний, выявить закономерности поведения параметров квазиаттракторов у работающих с низкой интенсивностью физической нагрузки.

4. Произвести сравнительный анализ групповых и индивидуализированных матриц межаттракторных расстояний квазиаттракторов поведения вектора-состояния организма работников-с интенсивной—и-низкой —-физической нагрузкой и в условиях различных режимов труда (дневная, ночная, суточная смены).

Научная новизна исследований:

1. Впервые разработаны и внедрены методы идентификации и диагностики сложных биофизических систем, позволяющие проводить исследования реакций функциональных систем организма человека на различные внешние возмущающие действия.

2. Выполнен анализ и построены математические модели суточной динамики изменения показателей сердечно-сосудистой системы работников с высокой и низкой интенсивностью труда в условиях Югры.

3. Получены новые данные о состоянии сердечно-сосудистой системы у разных категорий работников Югры.

4. Впервые получены данные о состоянии сердечно-сосудистой системы как для групповых измерений, так и для отдельных людей в условиях сменного труда путем анализа матриц межаттракторных расстояний движения вектора состояния организма человека в условиях северного производства.

Научно - практическая значимость работы: разработанные методы перспективны в индивидуализированной экологии человека и персонифицированной медицине. Новые программные продукты на базе ЭВМ и модели могут быть использованы для обеспечения физиологического контроля за состоянием функциональных систем организма людей, работающих в условиях Севера РФ, в целях профилактики профессиональных заболеваний. Они также позволяют объективно оценить основные функции организма работников и изменения, происходящие под влиянием различных режимов труда. Это обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма при хронобиологических исследованиях и может быть использовано в биофизике сложных систем. Регистрация и анализ индивидуального фазового портрета сигнала NN на плоскости могут быть использованы в роли значимого критерия профпригодности участника трудовой деятельности, соответствия возможностей его организма данной интенсивности и форме организации производственной нагрузки.

Методы индивидуальной хронобиологии внедрены в НИИ экологии Волжского бассейна РАН. Разработанные методы и модели прошли апробацию и внедрены в структурах НТМА. Результаты исследований используются при подготовке студентов в Сургутском государственном университете, а также в лекционных курсах и практических занятиях по биофизике, экологии человека и хронобиологии.

Материалы диссертации докладывались на кафедральных семинарах при Сургутском государственном университете; международной научной конференции "Синергетика природных, технических и социально-экономических систем" (Тольяти, 2010); на открытой окружной конференции "Наука и инновации XXI века" (Сургут, 2012); международной научной конференции "Биометрические науки и третья парадигма" (Хургада, 2013).

Декларация личного участия автора подтверждается выполнением всех исследований показателей сердечно-сосудистой системы работников ХМАО-Югры. С непосредственным участием автора разработаны методы идентификации

и диагностики сложных биофизических систем. Автором самостоятельно осуществлена обработка материалов, их интерпретация и анализ данных. В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 60-80 %.

Основные положения диссертации отражены в 11 печатных работах, в том числе 6 работ в рекомендуемых ВАК.

Объем и структура диссертации: диссертация состоит из введения, трёх глав (теоретической части, используемых материалов и методов, результатов исследований и их обсуждение), заключения, выводов, списка литературы (175 источников, в том числе 144 отечественных и 31 иностранных) и 4 приложений. Работа изложена на 122 страницах, содержит 16 таблиц и 23 иллюстрации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ показателей сердечно-сосудистой системы в фазовом пространстве у работников с высокой и низкой интенсивностью труда обеспечивает эффективный прогноз в восстановлении функции или развития патологии на раннем этапе.

2. Закономерности изменений параметров сердечно-сосудистой системы после трудовой деятельности в ночную, дневную, суточную смены необходимо индивидуально оценивать для прогноза состояния жизненно важных функций.

3. Расчет параметров квазиаттракторов поведения вектора состояния организма работников позволяет идентифицировать различия в состоянии функциональных систем организма работников до и после трудовой смены.

4. Анализ особенностей регуляции параметров кардиоинтервалов с позиций теории хаоса-самоорганизации обеспечивает диагностику организма работников с различной интенсивностью труда.

ГЛАВА 1. ФИЗИОЛОГИЯ ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Факторы производственной среды естественного (природного) и

антропогенного характера.

На протяжении всей трудовой деятельности на человека воздействуют множество факторов производственной среды: физических, химических, биологических, социальных и др. Все эти факторы оказывают существенное влияние на ФСО и работоспособность человека. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

К самым распространенным физическим факторам относятся параметры микроклимата, такие как температура, влажность, скорость движения воздуха. Параметры микроклимата производственных помещений, прежде всего зависят от теплофизических особенностей технологического процесса, климата, сезона года, условий отопления и вентиляции.

К одним из ведущих факторов, определяющим метеорологические условия производственной среды, относят температуру. Высокая температура воздуха характерна для производств, технологические процессы которых сопровождаются значительными тепловыделениями. Нагревание воздуха в цехах ряда производств происходит в результате переноса тепла от нагретых поверхностей оборудования потоками воздуха при недостаточном удалении теплоизбытков [8, 119, 121].

По своей природе тепловое излучение (инфракрасное излучение) представляет собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 до 540 нм. По длине волны инфракрасные лучи делят на коротковолновую (менее 1,4 мкм), средневолновую (1,4—3 мкм), длинноволновую (более 3 мкм) область. В производственных условиях гигиеническое значение имеет более узкий диапазон — 0,76—70 мкм. Инфракрасные лучи, проходя через воздух, его не нагревают, но, поглотившись твердыми телами, лучистая энергия переходит в тепловую, вызывая их нагревание.

Человек постоянно находится в состоянии теплообмена с окружающей средой. Несмотря на колебания температуры окружающей среды, температура тела человека относительно постоянна. Она поддерживается за счет реакций терморегуляции, которая представляет собой синтез процессов теплообразования и теплоотдачи, регулируемых нервно-эндокринным путем.

Теплоотдача осуществляется следующими путями: радиационной теплоотдачей, которая представляет собой излучение тепла телом человека и передачу его окружающим поверхностям, с более низкой температурой; конвекцией, осуществляемой путем отдачи тепла с поверхности тела человека менее нагретым потокам воздуха окружающей среды; проведением тепла тела человека менее нагретым предметам, при непосредственном соприкосновении; испарением воды с поверхности кожи и дыхательных путей.

Одним из основных путей теплообмена с окружающей средой является радиационная теплоотдача. Тепло отдается организмом излучением тогда, когда температура стен, пола, потолка, а также поверхностей оборудования и других материалов в окружающей среде ниже температуры поверхности тела.

В случае повышенной температуры воздуха и окружающих поверхностей отдача тепла конвекцией и радиацией уменьшена, при этом основным путем отдачи тепла организмом является испарение [6].

Уровень потоотделения пропорционален тяжести выполняемой работы, а также температуре окружающей среды. При нормальной температуре воздуха организм человека может потерять в сутки до 1 л воды путем активного потоотделения. При повышенной температуре около 5-6 л за смену. При тяжелой мышечной работе в горячем цехе величина потоотделения может достигать 12 л.

Большую роль в терморегуляции организма играет движение воздушных масс. Движение воздуха со скоростью 1м/с увеличивает теплоотдачу конвекцией в 2 раза, а при скорости 4 м/с теплоотдача увеличивается в 4 раза.

При рассмотрении функциональной структуры системы терморегуляции можно выделить гомойотермное «ядро» и пойкилотермную «оболочку» (Кандор И. С. и др., 1974). «Ядро» в организме человека представлено внутренними

органами или тканями. Температура «ядра» от