Введение к работе
Актуальность работы. 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 зарегистрировать на уровне изменений в состоянии 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.
Все это настоятельно требует организации специальных методов мониторинга состояния двигательных функций человека и нервно-мышечной системы 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 экологии в целом (Зилов В.Г., Фудин Н.А. (1992-2006), Еськов В.М., Хадарцев А.А. (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 проблемой 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 проблемы может быть выполнено с позиций теории хаоса и синергетики (ТХС) с использованием ККП и методов системного анализа, которые все шире используются в экологии человека.
Цель диссертационной работы: Исследование закономерностей возрастных изменений физиологических параметров учащихся Югры в условиях выполнения физической нагрузки методами системного анализа и синтеза.
Эта цель может быть достигнута решением следующих задач.
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 вектора состояния организма человека – 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 компарментно-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 программы позволяют идентифицировать основные функции организма учащихся в различных экологических 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.
Внедрение результатов исследований. Разработанные методы и программные продукты на базе ЭВМ для изучения динамики показателей КРС в рамках ТХС прошли апробацию и внедрены в ряде ВУЗов и школ городов Самары, Сургута. Результаты исследований используются при подготовке студентов в Самарском государственном педагогическом университете, Сургутском государственном университете в лекционных курсах и на практических занятиях по биофизике, экологии человека и медицинской кибернетике, ИПК РРО г. Ханты– Мансийска, в МОУ гимназии №4 г. Сургута. Созданный БК был использован при обследовании учащихся школ г. Сургута, проводимых НИИ БМК. Теоретические результаты работы и БК вместе с датчиками внедрены в учебном курсе "Биофизика" на факультете биологии Сургутского государственного университета, а также в Самарском государственном педагогическом университете (кафедра спортивных дисциплин), гимназии №4 г. Сургута.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции “Медико-биологические и экологические проблемы здоровья человека на Севере” (Сургут, 2000 г.); кафедральных семинарах и в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при Сургутском государственном университете; на XIV Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005); на конференции “Экологическое образование и здоровый образ жизни” (Сургут, 2005); на открытой окружной конференции “Наука и инновация XXI века” (Сургут, 2005, 2007); на открытой окружной конференции «Спасти и сохранить» (Сургут, 2006); на втором Международном Междисциплинарном конгрессе «Нейронаука для медицины и психологии» (Судак, Крым, Украина, 2006).
Личный вклад автора заключается в получении первичных данных мониторинга двигательных функций человека, а также показателей КРС разных возрастных групп; в анализе современного состояния проблемы. Непосредственно автором с позиций теории хаоса и синергетики (ТХС) с использованием ККП и методов системного анализа выполнены исследования характера динамики параметров КРС человека в многомерном фазовом пространстве, самостоятельно осуществлена статистическая обработка данных, их интерпретация и анализ. В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 50-70%.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 1 монография (в соавторстве), 2 работы в рекомендуемых ВАК изданиях. Их перечень приведен в конце автореферата.
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.
