Системный анализ и синтез возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат биологических наук Козлова, Виктория Викторовна

• Козлова, Виктория Викторовна
• кандидат биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Козлова, Виктория Викторовна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

СИСТЕМ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА В РАМКАХ

КОМПАРТМЕНТНО-КЛАСТЕРНОГО ПОДХОДА

1.1. Характеристика экофакторов ХМАО-Югры в аспекте 10 регуляции нервно-мышечной и кардио-респираторной систем.

1.2. Компартментно-кластерный характер организации 22 движений. Особенности организации непроизвольных движений.

1.3. Системный анализ параметров кардио-респираторной 53 системы организма учащихся Севера РФ.

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Метод регистрации параметров карио-респираторной системы человека, используемый в работе.

2.2. Метод идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в т-мерном фазовом пространстве состояний.

2.3. Регистрация непроизвольных движений конечностей человека с помощью новых аппаратных и программных методов с учетом возрастных особенностей.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Сравнительная характеристика возрастных параметров 86 непроизвольных движений в условиях динамической нагрузки и без таковой для мальчиков и девочек.

3.2. Характеристика параметров непроизвольных движений в условиях статической нагрузки. 3.3. Анализ параметров аттракторов движения вектора состояния 119 организма тренированных и нетренированных испытуемых до и после предъявления физической нагрузки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системный анализ и синтез возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки»

Гипокинезия - один из базовых факторов, влияющих на продолжительность и качество жизни любого человека, проживающего в условиях ХМАО-Югры. Малоподвижный образ жизни, проживание основной части жизни в условиях закрытых помещений и ограниченной подвижности порождает много проблем в организации и поддержании основных функций организма, как взрослого человека, так и детского организма. Особо остро эти вопросы возникают перед развивающимся организмом. Детско-юношеский период требует особой подвижности и физической нагрузки и именно этого не хватает в условиях Югры.

Очевидно, что происходящие негативные изменения в организме ребенка, подростка или молодого человека проще всего регистрировать на уровне изменений в состояниях функциональных систем организма (ФСО) и в первую очередь это касается нервно-мышечной системы (НМС) и кардио-респираторной системы (КРС). Характер этих изменений, возможность изучения корреляционных взаимоотношений этих ФСО в норме и при выполнении физических упражнений представляют несомненный интерес и для физиологов, и для специалистов в области экологии человека и даже просто для родителей, которые интересуются особенностями развития организма своего ребенка. Более того, такая информация может обеспечить прогноз развития жизни человека уже во взрослом состоянии, оценить качество жизни человека в условиях Севера. Именно эти проблемы и составляют основу настоящих исследований.

Отметим, что движения обеспечивают различные виды перемещений частей тела и всего тела человека в пространстве. К различным видам механических движений относится и широко распространенные колебательные движения. Механические колебания тканей являются одной из важных характеристик двигательных функций физиологических систем организма человека. Этот факт наиболее очевиден для КРС и НМС, нарушения деятельности в которых приводит не только к снижению уровня качества жизни, но и провоцирует развитие более тяжелой патологии.

Одним из показателей НМС является треморограмма конечностей. В разных условиях (и по данным разных авторов) частота тремора находится в пределах от 5 до 16 Гц, а амплитуда колебаний от 10 до 30 условных единиц (у.е.). Интерес к треморным колебаниям диктуется существованием большого количества гипотез о механизмах тремора, отсутствием единого, общепринятого взгляда на его происхождение и, кроме того, важными диагностическими оценками НМС. Спектральный анализ треморограмм дает возможность выполнить углубленное изучение тремора. В этой связи информационная значимость тремора весьма велика, т.к. с одной стороны он характеризует психофизиологические функции человека, а с другой -существует много аспектов биомеханического плана. Сюда относятся и степени свободы, и вязко-упругие свойства мышечной ткани и целый ряд других показателей биомеханики опорно-двигательного аппарата.

Глубокое понимание ¿механизмов управления движениями конечностей позволяет продвинуться и в вопросах диагностики двигательных расстройств (А.И. Скоринкин, 1991), и в проблеме совершенствования методик тренировки спортсменов и при изучении патологий нервно-мышечной системы (разделы неврологии, хирургии). Во всех этих случаях возникает необходимость в разработке адекватных методов получения и обработки информации о микроперемещенях тела человека или его частей.

Все это настоятельно требует организации специальных методов мониторинга состояния двигательных функций человека и НМС в целом. Именно в связи с важностью решения таких проблем производится разработка как новых методов исследования, так и методов обработки получаемой информации с помощью различных программных устройств.

Особый интерес представляют подобные исследования в рамках компарментно-кластерного подхода (ККП), когда можно поставить и решить проблему идентификации синергизма в работе отдельных мышц и мышечных систем. Эта проблема продолжает оставаться наиболее сложной и интересной не только в физиологии труда и спорта, но и в биофизике и физиологии в целом (В.Г. Зилов, H.A. Фудин (1992-2006), В.М. Есышв, A.A. Хадарцев (1996-2008)). Попытка формализовать эту проблему, подойти к ее решению с позиций точных количественных методов системного анализа и синтеза (САС) представляется весьма актуальной. Поэтому наиболее важной задачей в настоящих исследованиях является изучение в рамках ККП особенностей регуляции двигательных функций человека на Севере в условиях выполнения физических нагрузок и без таковых. Решение этой задачи выполняется с позиций теории хаоса и синергетики (ТХС) с использованием ККП и методов системного анализа.

В этой связи, целью настоящей работы является исследование закономерностей возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки методами системного анализа и синтеза.

Данная цель определила постановку и решение следующих задач исследования:

1. Изучить взаимосвязь между возрастными изменениями параметров НМС и спектральной характеристикой тремора конечностей и на этой основе выявить наиболее информативные составляющие спектра тремора при разных режимах нагрузки.

2. Установить характер связей между показателями НМС и КРС у лиц с различными видами нагрузки и степенью тренированности в рамках системного синтеза в условиях Севера РФ.

3. Выявить закономерности изменения параметров аттракторов вектора состояния организма человека (ВСОЧ) у тренированных и нетренированных молодых жителей ХМАО-Югры в условиях выполнения физических нагрузок и на этой основе оценить степень влияния гипокинезии на организм молодого человека в условиях Севера РФ.

4. Сравнить изменения математических параметров динамики ВСОЧ в фазовом пространстве состояний в условиях влияния мышечной нагрузки на организм с целью идентификации наличия маркера по оценке степени детренированности организма жителей Югры.

Научная новизна работы.

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

2. С использованием методов ККП и ТХС установлен у лиц с разной степенью тренированности характер связей между показателями КРС и НМС при различных видах нагрузки.

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

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

Научно - практическая значимость.

Разработаны и внедрены в практику алгоритмы и программные продукты для анализа биомеханических показателей человека, которые позволяют более точно производить анализ нормального или патологического изменения треморограмм человека в условиях статических и динамических нагрузок и в зависимости от возрастных и половых особенностей регуляции движений. Разработанный биоизмерительный комплекс (БК) может быть использован в практической работе физиолога и медика для автоматизированной оценки двигательных функций (при профессиональном отборе, при допуске на работу и при контроле состояния человека-оператора; для оценки точности и координации целевых движений в спорте). Алгоритмы и компьютерные протраммы позволяют идентифицировать основные функции организма учащихся в различных климатических условиях, что обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма. Разработанные системные методы оценки показателей состояния вегетативной (симпатической и парасимпатической) нервной системы (ВНС) позволяют внедрять их в практику работы органов управления образования для оценки степени утомления учащихся в ходе учебы, выбирать оптимальную траекторию учебных нагрузок у учащихся по различным видам учебной деятельности.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста и состоит из "Введения", в котором обосновывается актуальность исследования возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки.

В первой главе представляется общая характеристика функциональных систем организма человека в рамках компаршенпю-класгерного подхода (рассматриваются вопросы организации непроизвольных движений человека с позиций компаргментно кластерного подхода, дается системный анализ параметров кардио-респираторной системы организма учащихся Севера РФ).

В главе "Объект и методы исследований" представляется объект исследования и уделяется внимание современным методам, рассматриваются оригинальные авторские методы, применяемые для исследования динамики параметров КРС, а также двигательных функций человека с использованием биоизмерительного комплекса; глава "Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение" посвящена исследованию параметров тремора и ВСОЧ у тренированных и нетренированных испытуемых до и после нагрузки, а также исследованию возрастных изменений показателей непроизвольных движений учащихся Югры в условиях статических и динамических нагрузок. Имеются выводы и приложения. Библиографический указатель содержит 168 источников, из которых 142 на русском языке и 26 иностранных. Текст диссертации иллюстрирован 25 таблицами и 22 рисунками.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Козлова, Виктория Викторовна

выводы

1. Динамическая нагрузка мышц верхних конечностей вызывает сдвиг АЧХ треморограмм в окрестности 2 Гц в область более низких частот (у девочек это менее выражено, чем у мальчиков), а в области 10 Гц первоначально имеем усиление амплитуды (у девочек с 9 до 12 у.е., а у мальчиков - сдвиг до 9 Гц и возрастание до 13 у.е.). Доказано, что именно диапазон до 15 Гц при этом наиболее информативен, а диапазон около 10 Гц является маркером пубертатного периода и маркером развития степени утомления.

2. Выявлен характер связей между активацией нервно-мышечной системы (физической нагрузкой) и изменением параметров ВСОЧ (для составляющей кардио-респираторной системы), а именно: лица с низкой физической нагрузкой (с гипокинезией, нетренированные) имеют низкие значения симпатического отдела вегетативной нервной системы (СИМ) и высокие значения парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (ПАР), которые после физической нагрузки сильно возрастали (с 3,27 до 18,73 -СИМ) или уменьшались (с 14,2 до 3,4 - ПАР), что было более выражено в сравнении с тренированными лицами (с 2,29 до 6,07 - СИМ и 19,86 до 16,64 -ПАР). Такие различия могут быть использованы для оценки степени развития гипокинезии у жителей Севера.

3. Изменения параметров аттракторов ВСОЧ в 5-ти мерном фазовом пространстве состояний более разительны, чем их статистические данные в отдельности: у нетренированных юношей исходный объем Ух уже высокий

6 7

5, 72 ТО ) и увеличивается после нагрузки только в 3 раза (1,51 -10 ), в то время как у тренированных исходный объем Уу низкий (9,98Т05), но увеличивается после нагрузки значительно (3,1 -107), т.е. почти в 2 раза сравнительно с нетренированными.

4. Более выраженные изменения происходят с расстояниями Z между центрами аттракторов до и после нагрузки: у нетренированных юношей (гипокинезия) Z составило 411 у.е., а у тренированных - 99,4, что может быть эффективным показателем (маркером) степени детренированности (гипокинезии) в условиях Севера РФ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В качестве маркера пубертатного периода и маркера развития степени утомления могут быть использованы спектральные характеристики непроизвольных движений верхних конечностей (тремора) при анализе интервала до 15 Гц ив, частности около 10 Гц.

2. Метод и программный продукт для идентификации параметров состояния кардио-респираторной системы молодежи ХМАО-Югры можно использовать как эффективный показатель (маркер) степени гипокинезии, которая существенно влияет на качество жизни молодого населения ХМАО-Югры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Козлова, Виктория Викторовна, 2008 год

1. Авцын, А.П. Патология человека на Севере / А.П. Авцын, A.A. Жаворонков, А.Г. Марачев. - М.: Медицина, 1985. - 215 с.

2. Агаджаняп, H.A. Экология человека / H.A. Агаджанян, В.И. Торшин. -М.: КРУК, 1994.-256с.

3. Агаджанян, H.A. Экологический портрет человека на Севере / H.A. Агаджанян, Н.В. Ермакова. М.: КРУК, 1997. - 208 с.

4. Агаджанян, H.A. Основы физиологии человека / H.A. Агаджанян, И.Г. Власова, Н.В. Ермакова, В.И. Томин. М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2004 - С. 93 -108.

5. Адайкин, В.PI. Системный компартментно кластерный анализ и синтез в биомедицинских исследованиях параметров организма человека на Севере РФ / В.И. Адайкин, И.Ю. Добрынина, В.М. Еськов, С.И. Логинов // ВНМТ. - 2006.

6. Айзерман, М.А. О некоторых простейших механизмах управления скелетными мышцами /М.А. Айзерман, Е.А. Андреева // Исследование процессов управления мышечной активностью М.: Наука, 1970 - С. 5 -49.

7. Аксенов, В.В. Ритм сердца у школьника / В.В. Аксенов, A.M. Усынин, А.Н. Рагозин, Е.Г. Шерстнева // Итоговая научная конференция ЧГМА: сб. науч. трудов. Челябинск, 1998.- С. 97-98.

8. Алексеев, М.А. О механизмах координации ритмических движений / М.А. Алексеев, Н.В. Крылов, М.П. Лившиц, A.B. Найдель // Вопросы психологии. 1965. - № 5. - С. 82 - 97.

9. Анохин, П.К. Кибернетика функциональных систем / П.К. Анохин. М.: Медицина, 1998. - С. 256-265.

10. Антонец, В.А. Пьезоакселерометры ПАМТ /В.А. Антонец, Н.М. Анишкина// Вибро-акустические поля сложных объектов и их диагностика: сб. науч. трудов / ИПФ АН СССР. Горький, 1989.- С. 191203.

11. Антонец, В.А. Акселерометрическая стабилография / В.А. Антонец, Н.М. Анишкина, А.П. Ефимов, Г.В. Смирнов // Ортопедия, травматология и протезирование: сб. науч. трудов. Москва-Харьков: Медицина, 1991.-№ 1. - С. 55-56.

12. Антонец, В.А. Оценка функционального состояния опорно-двигательного аппарата человека по вибрациям, сопровождающим локомоционные акты / В.А. Антонец, Н.М. Анишкина, А.П. Ефимов. -Н.Новгород, 1992. С. 23-34.

13. Антонец, В.А. Оценка управления статическим напряжением скелетной мышцы по ее микродвижениям / В.А. Антонец, Э.П. Ковалева // Биофизика. 1996. - Т. 41, вып.З. - С. 711-717.

14. Антонец, В.А. Статистическое моделирование непроизвольных колебаний конечности /В.А. Антонец, Э.П. Ковалева// Биофизика. 1996. -Т. 41, вып.З. - С. 704-709.15.