Введение к работе
Актуальность работы.
За последние 130 лет уровень техногенного воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) возрос в миллиарды раз и, в настоящее время, в Космосе на большом расстоянии маленькое космическое тело – Земля в радиодиапазоне значительно превышает излучение крупной звезды – Солнца.
В радиодиапазоне за период чуть больше одного столетия в нашей галактике возникло ярчайшее космическое тело, которое не только может составить загадку для сторонних исследователей в механизмах подобной вспышки, но и составляет величайшую проблему для прогноза эволюции человека и биосферы Земли в целом, которые находятся в условиях столь необычного физического воздействия.
Эта проблема является важнейшей проблемой биофизики, экологии человека, теории эволюции человека и биосферы. Будут ли последствия для человека и человечества от этих внешних физических воздействий, примут ли эти последствия катастрофический характер или проявятся некоторые компенсаторные свойства сложных биосистем – все это составляет круг фундаментальных вопросов современной биофизики сложных систем (В.М. Еськов, 2011).
Возрастание электромагнитного фона за счет усиления техногенного воздействия – важнейшая проблема экологии человека, промышленной экологии, физиологии, медицины и биофизики сложных систем, которое призвано вскрывать механизмы и прогнозировать последствия действия электромагнитных полей (ЭМП) на человека (В.М. Еськов, Ю.Г. Бурыкин, 2009).
В последнее время исследователями изучаются действия на человека ЭМП с низкой напряженностью. Было обнаружено, что это воздействие имеет кумулятивный характер и чаще всего проявляется в опосредованном через нервную систему влиянии на органы и системы человеческого организма. Исследователями изучались реакции людей на слабые поля частотой порядка 150 МГц. При этом были выявлены заметные воздействия на симпатический отдел вегетативной нервной системы (ВНС), а через него – на изменение функции периферийных сосудов, выражающиеся в перестройке состояния периферического кровообращения, изменении скорости некоторых физиологических реакций.
В ходе изучения действия ЭМП на организм человека было установлено, что, во-первых, нервная система человека (особенно высшая нервная деятельность) чувствительна к ЭМП, и, во-вторых, что ЭМП обладает т.н. информационным действием при воздействии на человека в интенсивностях ниже пороговой величины теплового эффекта (Н.А. Агаджанян, 2009).
Особый научно-практический интерес представляет выявление механизмов действия ЭМП на нервную систему и тесно взаимосвязанную с ней сердечно-сосудистую систему (ССС), представляющих собой биоэлектрические системы, способные реагировать на внешнее воздействие электрических сигналов.
Учитывая все сказанное актуальность подобных исследований не вызывает сомнений не только у специалиста в области теоретической и экспериментальной биофизики, но и у физиологов, экологов, генетиков и эмбриологов, и целого ряда других специалистов в области биологии, а также теоретической и экспериментальной медицины. Подобные вопросы затрагивают также важную проблему устойчивости биологических динамических систем (БДС) (в частности, функциональных систем организма) к возмущающим воздействиям внешней среды, к техногенным факторам, которые нарастают в геометрической прогрессии.
Цель исследования: выявить с использованием метода многомерных фазовых пространств особенности механизмов действия ЭМП, как производственных факторов, на организм человека в условиях Севера.
Задачи исследования:
1. Выявить гендерные и возрастные различия в динамике поведения вектора состояния кардиоресператорной системы (КРС) человека при нейровегетативной регуляции сердечного ритма в условиях действия производственных факторов нефтегазового комплекса и без таковых.
2. Установить закономерности поведения вектора состояния организма (ВСО) работников ЗСК (Завода по стабилизации газового конденсата ООО «Газпром-переработка»), находящихся в условиях электромагнитных воздействий (ЭМП промышленной частоты (ПЧ) – 50 Гц) и без таковых.
3. Изучить особенности параметров квазиаттракторов (КА) ВСО работников телерадиовещательной станции, подвергающихся действию ЭМИ в сравнении с работниками органов образования, которые не подвержены подобным физическим воздействиям.
Научная новизна работы:
-
Выявлена чувствительность БДС к воздействию ЭМП искусственной этиологии с позиций системного анализа в рамках теории хаоса и синергетики.
-
Впервые проведены исследования биологических эффектов воздействия ЭМП ПЧ на работников предприятия нефтегазового комплекса в рамках периодического медицинского осмотра, проводимого на основании результатов аттестации рабочих мест по условиям труда.
-
Впервые проведен сравнительный анализ поведения вектора состояния КРС гендерных и возрастных групп, состоящих из работников ЗСК, имеющих на своем рабочем месте вредный производственный фактор в виде ЭМИ и работников того же предприятия, по роду своей профессиональной деятельности не подверженных воздействию ЭМП.
-
Впервые проведен сравнительный биоинформационный анализ параметров КРС работников ЗСК и сотрудников ТРК, подверженных воздействию ЭМП различного диапазона частот.
Теоретическое и практическое значение работы:
-
Используемые в исследовании методы экспресс-диагностики состояния КРС включены в программу периодических медицинских осмотров работников ЗСК.
-
Данные, полученные в результате экспресс-диагностики КРС сотрудников ЗСК, находящихся в условиях воздействия ЭМИ искусственной этиологии, рекомендованы к использованию при итоговой оценке функционального состояния организма (ФСО) работника, проходящего медицинский осмотр, а также при выдаче ему рекомендаций по предупреждению профессионального заболевания, которое может быть вызвано воздействием ЭМП.
-
Результаты исследования биологических эффектов действия ЭМП ПЧ на организм работников ЗСК рекомендованы к использованию при разработке плана мероприятий по улучшению и оздоровлению условий труда, а также при аттестации или переаттестации рабочих мест по условиям труда Завода по стабилизации газового конденсата ООО «Газпром-Переработка».
-
В программы вводных, первичных и периодических инструктажей по охране труда Завода по стабилизации газового конденсата ООО «Газпром-Переработка» рекомендовано включить блок информации, содержащий результаты исследования воздействия на организм работников ЗСК ЭМП как производственных факторов.
-
Экспресс-диагностика ССС работников телерадиокомпании (ТРК) методом пульсинтервалографии позволило вывить ряд отклонений основных парметров их КРС от нормы, о которых работники телерадиовещания были проинформированы.
-
Комплексное исследование условий труда и состояния здоровья работников ЗСК, подвергающихся сочетанному действию ЭМП различных частотных диапазонов и сопутствующих факторов производственной среды и трудового процесса ставит вопрос о необходимости дальнейшего совершенствования гигиенических регламентов производственного воздействия ЭМП.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В результате сравнительного анализа параметров ВНС работников нефтегазодобывающей отрасли подтверждающими друг друга методами классической статистики и теории хаоса – самоорганизации (ТХС) установлено, что уровень адаптационных процессов организма работников ЗСК, в рамках трудового процесса не попадающих под действие ЭМП, находится в более стабильном режиме по сравнению с работниками ЗСК, организм которых подвержен воздействию неионизирующего излучения (НИ).
2. Используя современный метод биоинформационного анализа параметров организма сотрудников ЗСК с позиций детерминистско-стохастического подхода, установлены более явные и скоротечные возрастные изменения в нейровегетативной регуляции сердечного ритма КРС у работников, чьи рабочие места предусматривают наличие вредного производственного фактора в виде ЭМП ПЧ.
3. Анализ матриц межаттракторных расстояний параметров КА работников ЗСК, подверженных действию ЭМИ позволил установить, что наиболее уязвимым к воздействию ЭМП искусственной этиологии является организм женщин после 35 лет.
4. В результате проведенного сравнительного анализа параметров КРС работников ЗСК и сотрудников ТРК, подверженных воздействию ЭМП различного диапазона частот, усановлены наиболее ярко выраженные изменения в динамике поведения вектора состояния КРС у работников телерадиовещательной станции, на организм которых оказывает действие ЭМП РЧД.
Внедрение результатов работы. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ГБОУ ВПО «Сургутского государственный университет ХМАО-Югры» на кафедрах Биофизики и нейрокибернетики Биологического факультета и Безопасности жизнедеятельности в техносфере Химико-технологического факультета.
Данные о функциональном состоянии КРС сотрудников АНО ГТРК «ЛянторИнформ», полученные в рамках диссертационного исследования, позволили разработать комплекс эффективных мероприятий, направленных на повышение уровня работоспособности персонала ТРК.
Декларация личного участия автора. Автор лично принимал участие в получении первичных материалов при обследовании ССС работников ЗСК и сотрудников АНО ГТРК «ЛянторИнформ» в рамках периодических медицинских осмотров. Автором самостоятельно выполнена статистическая обработка материалов, расчет параметров КА, межаттракторных расстояний и их интерпретация, написание текста диссертации.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на двух международных, трех всероссийских и одной окружной научно-практических конференциях: VI Научной конференции «Системный анализ в медицине» (Благовещенск, 2010), IX Международная научно-практическая конференция «Медицинская экология» (Пенза, 2010), VIII Международная конференция «Синергетика природных, технических и социально-технологических систем» (Тольятти, 2010), Всероссийская научная конференция «Современные проблемы биологических исследований в Западной Сибири и на сопредельных территориях (Сургут, 2011), V Международная научная конференция «Системный анализ в медицине» (Благовещенск, 2011), XII Конференция молодых ученых Ханты-Мансийского автономного округа-Югры «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе: 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, для соискания ученой степени кандидата биологических наук и 11 статей в различных научных журналах и материалах отечественных и международных конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста. Она выполнена в традиционном стиле и состоит из введения, главы по анализу современного состояния проблемы, главы описания объектов и методов исследования, оригинальной главы, содержащей результаты собственных наблюдений, выводов, списка литературы, приложений. Работа содержит 12 рисунков и 17 таблиц. Список используемой литературы включает в себя 132 источника: 112 российских и 20 зарубежных.
Производилось обследование параметров ССС работников ЗСК. Данные регистрировались в весеннее время года на базе городской поликлиники №1 г. Сургута в рамках периодического медицинского осмотра.
Всего было обследовано 240 человек, из которых 120 работников в возрастном диапазоне от 19 до 54 лет, согласно п.п. 3.2.2.1-3.2.2.4 Приложения 1 к приказу Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации №302н от «12» апреля 2011 года, подверженные хроническому воздействию ЭМП ПЧ, вошли в состав опытной группы. Средний возраст обследуемых составлял 34,93±1,75 лет.
Одновременно проводилось исследование параметров ССС идентичной по численности, возрастному и гендерному признакам контрольной группы, состоящей из работников ЗСК, имеющих на своих рабочих местах те же производственные факторы, что и представители опытной группы, за исключением одного – ЭМП широкополосного спектра частот. Средний возраст обследуемых в контрольной группе составлял 34,56±1,72 лет.
В настоящей работе также исследовалось состояние КРС сотрудников телекомпании «ЛянторИнформ» г. Лянтор, находящихся в условиях хронического действия ЭМП РЧД.
Было обследовано 20 человек, находящихся в непосредственной близости от радиопередающих устройств. Из них 10 мужчин и 10 женщин. Средний возраст обследуемых составлял 32,1±2,2 лет. Одновременно работали пять передатчиков в метровом и дециметровом диапазонах длин волн.
В контрольную группу входили сотрудники средних общеобразовательных школ г. Лянтора №4 и №6 (ЛСОШ) , территориально расположенных на удалении примерно 1000-1500 метров от передающей станции в количестве 20 человек (10 мужчин и 10 женщин). Средний возраст обследуемых составлял 31,6±2,6 лет.
Кроме того, исследовалась суточная динамика поведения ВСО работников телерадиовещательной станции, подверженных действию ЭМИ. Регистрировались основные параметры КРС у 20 сотрудников ТРК вначале и по окончанию рабочей смены.
В первый блок исследования (рис. 1) вошли 240 работников ЗСК 1-го и 2-го периода зрелого возраста по роду своей профессиональной деятельности подверженных воздействию ЭМП, поделенные на 8 подгрупп: подгруппа 1 – мужчины до 35 лет (n=30), подгруппа 2 – мужчины после 35 лет (n=30), подгруппа 3 – женщины до 35 лет (n=30) и подгруппа 4 – женщины после 35 лет (n=30), а также работники ЗСК, на организм которых ЭМИ не оказывало действие: подгруппа 5 – мужчины до 35 лет (n=30), подгруппа 6 – мужчины после 35 лет (n=30), подгруппа 7 – женщины до 35 лет (n=30) и подгруппа 8 – женщины после 35 лет (n=30). Исследовались следующие показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР) обследуемых: SIM, PAR, HR, SDNN, IBN.
Сотрудники ЗСК, подверженные воздействию ЭМП промышленной частоты (f=50 Гц)
Сотрудники ЗСК,
не подверженные воздействию ЭМП промышленной частоты (f=50 Гц)
Мужчины
до 35 лет (n=30)
Женщины
до 35 лет (n=30)
Мужчины
после 35 лет (n=30)
Женщины
после 35 лет (n=30)
Мужчины
до 35 лет (n=30)
Женщины
до 35 лет (n=30)
Мужчины
после 35 лет (n=30)
Женщины
после 35 лет (n=30)
Исследование показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР): SIM, PAR, HR, SDNN, IBN
Рис. 1. Дизайн первого блока исследований.
Второй блок исследования (рис. 2) включал в себя 80 обследуемых, поделенных на 4 группы: группа 1 – работники ЗСК, подверженные воздействию ЭМП ПЧ (n=20), группа 2 – работники ЗСК, не подверженные воздействию ЭМП ПЧ (n=20), группа 3 – группа сотрудники ТРК, подверженные воздействию ЭМП РЧД (n=20), группа 4 – работники ЛСОШ, не подверженные воздействию ЭМП РЧД (n=20). Исследовались следующие показатели ВСР обследуемых: SIM, PAR, HR, SDNN, IBN.
Обследуемые, подверженные воздействию ЭМП
Обследуемые, подверженные воздействию ЭМП
Работники ЗСК, подверженные воздействию
ЭМП ПЧ (n=20)
Работники ЗСК,
не подверженные воздействию
ЭМП ПЧ (n=20)
Работники ЗСК, подверженные воздействию
ЭМП ПЧ (n=20)
Исследование показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР): SIM, PAR, HR, SDNN, IBN
Работники ЛСОШ,
не подверженные воздействию
ЭМП РЧД (n=20)
Рис. 2. Дизайн первого блока исследований.
Систематизация материала и представление результатов расчетов выполнялись с применением программного пакета электронных таблиц Microsoft EXCEL, статистические расчеты проводились с помощью программного продукта Statistica version 6.1 (рис. 3). Для оценки значимости различия показателей ВНС обследуемых применялся критерий Стьюдента, за достоверно значимые принимали различия при значениях р<0,05.
Рис. 3. Схема методов обработки данных
Анализ результатов параметров вазиаттракторов (КА) поведения ВСО работников ЗСК, сотрудников ТРК и педагогического состава ЛСОШ производился с помощью зарегистрированной оригинальной программы «Идентификация параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в m-мерном фазовом пространстве» и программного продукта «Identity» (В.М. Еськов, 2006).
Вариабельность сердечного ритма (ВСР) у работников ЗСК, сотрудников ТРК и педагогического состава ЛСОШ изучалась с помощью пульсоксиметра «ЭЛОКС-01С2», разработанного и изготовленного ЗАО ИМЦ Новые Приборы, г. Самара (Л.И. Калакутский, В.М. Еськов, 2002-2010). Прибор снабжен программным продуктом «Eg3», который в автоматическом режиме позволяет отображать изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов (КИ). С помощью этого прибора происходила регистрации пульсовой волны с одного из пальцев кисти в положении обследуемых сидя в относительно комфортных условиях. Оценка состояния функциональных систем организма женщин с учетом их физиологических особенностей производилась в рамках традиционных методов оценки симпатического звена ВНС (показатели SIM) и парасимпатического звена ВНС (показатели РAR). Кроме этого, определялся индекс напряжения по Р.М. Баевскому (INB), частота сердечных сокращений (HR), уровень насыщения оксигемоглобином крови испытуемых (SрO2, в % оценивается количество оксигемоглобина), мощность спектра сверхнизкочастотного компонента вариабельности (VLF, в % от суммарной мощности колебаний), мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности (LF), мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности (HF), общая спектральная мощность (Total power), стандартное отклонение полного массива КИ (SDNN).
Программа «Идентификация параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в m-мерном фазовом пространстве» создана специально для обеспечения идентификации параметров КА движения вектора состояния БДС в m-мерном фазовом пространстве состояний (ФПС), и предназначена для исследования систем с хаотической организацией. С помощью данной программы была смоделирована динамика ВСО работников ЗСК по параметрам ВСР с учетом возраста, пола и присутствия вредного производственного фактора. Значения показателя асимметрии (General asymmetry value (rX)) и общего объема многомерного параллелепипеда (General V value (vX)) получены в результате обработки статистических данных в программе «Identity». Графики, отражающие положение КА ВСО человека, получены в 3-хмерном ФПС по трем параметрам (SIM, PAR, HR).
Производился расчет координат граней, их длины и объема 5-тимерного параллелепипеда, ограничивающего КА поведения ВСО обследуемых, хаотический и стохастический центры, а также коэффициент асимметрии стохастического и хаотического центров. Этот метод позволил осуществить ранжирование параметров различных кластеров, представляющих ФСО. К этим кластерам могут относиться одни и те же ФСО, но находящиеся в разных экологических условиях (например, динамика ВСО работников ЗСК при воздействии на их организм ЭМП и без такового).
Кроме того, производился расчет матриц межаттракторных расстояний между стохастическими и хаотическими центрами КА ВСО работников ЗСК.
Диагностика проводилась по следующим параметрам ВСО : активность симпатического отдела ВНС (SIM – ), активность парасимпатического отдела ВНС (PAR – ), частота сердечных сокращений (HR – ), стандарт отклонения вегетативной регуляции кровообращения (SDNN – ), индекс напряжения по Р.М. Баевскому (IBN – ). Указанные параметры вегетативной регуляции сердечной деятельности в рамках многопараметрического анализа позволяют интегративно и с большей точностью идентифицировать адаптационные возможности ВНС всех обследуемых в пятимерном ФПС.
Построение матрицы межаттракторных расстояний производилось с помощью оригинальной компьютерной программы по указанным параметрам ВСО. Каждая группа обследуемых, находящаяся в определенном состоянии, образует некоторое «облако» (квазиаттрактор) в ФПС, которое имеет геометрический и стохастический центры. Между этими центрами определяются расстояния , где и - номера групп обследуемых, которые формируют матрицу межаттракторных расстояний. Каждый КА имеет свои параметры: объем - го КА ; координаты геометрического центра - го КА , где ; координаты стохастического центра , где - значение величины диагностического признака для - го обследуемого по - ой координате из кластера обследуемых групп) и свое положение в ФПС. Всеобъемов всех КА образуют вектор объемов КА , где - число кластеров (групп обследуемых), для которых (объемов КА) рассчитывается матрица расстояний между центрами хаотических КА (между - м и - м КА в ФПС) по формуле. Матрицарасстояний между стохастическими центрами (статистическими математическими ожиданиями) рассчитывались по формуле .
Полученные расстояния между центрами - го и - го КА или стохастическими центрами (статистическими математическими ожиданиями) количественно представляют степень близости (или, наоборот, удаленности) этих сравниваемых КА в фазовом пространстве состояний, что является интегративной мерой оценки состояния ВНС групп обследуемых.
