УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ОПЕРАТОРА К ДЕКОМПРЕССИИ ДО ДОЛЕЙ АТМОСФЕРЫ В БАРОКАМЕРЕ ПРИ ИМИТАЦИИ ЛЕТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ВЫСОТАХ 

С. Н. Филипенков
ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г. И. Северина» 

Аннотация: В докладе представлены результаты ультразвукового исследования (УЗИ) 123 лиц во время моделирования авиационного и космического полета в барокамере. Определение момента появления и интенсивности сигнала от газовых пузырьков (ГП) в кровотоке позволят выявить преморбидную форму высотной декомпрессионной болезни (ВДБ) и прогнозировать вероятность развития клинических симптомов болезни, что является основой для определения донозологического статуса летчиков, космонавтов и пассажиров.

Ключевые слова: доплеровское ультразвуковое исследование, высотная декомпрессионная болезнь (ВДБ), гипобария, декомпрессия, эксперименты в барокамере 

 

Целью исследования являлась: экспериментальная оценка эффективности прогноза риска ВДБ методом доплеровского УЗИ при обнаружении ГП, поступающих в кровоток человека во время декомпрессии от 1 до 0,2…0,5 атм.

Методика исследования: УЗИ кровотока по методу Доплера проводились в барокамере в процессе декомпрессии от нормального барометрического давления до высот 5,5 - 11 км (от давления 720- 770 мм рт. ст. к 170-375 мм рт. ст. при скорости подъема на высоту 20-50 м/с и последующей экспозиции на высоте 4-6 ч).

В качестве детектора внутрисосудистых ГП использовали экспериментальный ультразвуковой доплеровский детектор разработки СКТБ Биофизприбор с рабочей частотой 5 МГц (при исследованиях в ИБФ МЗ СССР и позднее в ВЦМК «Защита»), ультразвуковой доплеровский прибор «Актив-М» разработки СКТБ Биофизприбор с рабочей частотой 5 МГц (в исследованиях совместно с РГНИИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина), а также серийный ультразвуковой эхотахокардиограф «Ритм» (ЭТК03) с рабочей частотой 1,76 МГц (в исследованиях совместно с ГНЦ-РФ ИМБП РАН) и серийный ультразвуковой флуориметр «Sonovit–1» разработки швейцарской фирмы «Shiller» с двумя рабочими частотами 4 МГц и 10 МГц [1,5,8,9-11].

Генератор детектора излучал ультразвук в направлении легочной артерии и полостей сердца (правого предсердия и правого желудочка), в которых удавалось обнаружить движущиеся в кровотоке ГП размером 10-100 мкм после отражения от них ультразвука и приема сигнала более высокой частоты приемником детектора. Появление внутрисосудистых ГП в зоне УЗИ вызывало резкое увеличение амплитуды отраженного сигнала, а эффект Доплера, возникающий из-за движения самих пузырьков в кровотоке со скоростью десятков см/с, вызывал частотный сдвиг отражённого сигнала. Интенсивность сигналов от ГП оценивалась по шкале Спенсера следующим образом: 0-баллов - ГП отсутствуют; 1-балл - единичные ГП обнаруживаются, но в большинстве сердечных циклов отсутствуют; 2 балла - ГП наблюдаются менее чем в половине сердечных циклов; 3 балла - ГП наблюдаются в большинстве сердечных циклов; 4 балла - ГП настолько многочисленны, что заглушают звуки сердечных циклов [15]. Детектор располагался по левой парастернальной линии на коже груди над проекцией легочной артерии и правого желудочка сердца. 

Для определения чувствительности, специфичности, диагностической и прогностической ценности доплеровского УЗИ использовались принятые в лабораторной практике формулы [6], а именно:

Чувствительность = Истинно положительные результаты/[Истинно положительные результаты (есть ВДБ и ГП) + Ложно отрицательные результаты (есть ВДБ без ГП)] (1)

Специфичность = Истинно отрицательные результаты (нет ни ВДБ, ни ГП)/ [Истинно положительные результаты (есть и ВДБ и ГП) + Ложно положительные результаты (есть ГП без ВДБ)] (2)

В отсутствие профилактического вдыхания кислорода перед подъемом на высоту парциальное давление азота в тканях организма принималось равным его парциальному давлению во вдыхаемом газе, либо текущему его значению в альвеолярном газе (при наличии масс - спектрометрических измерений PАN2) и в расчётах использовали следующую формулу:

КП=pN2/P БК  (3), где: 

  • КП - коэффициент перенасыщения; 
  • pN2 – исходное парциальное давление азота в тканях организма, 
  • P БК - конечное давление в барокамере [7,8,11].

Результаты и обсуждение:

В 447 исследованиях приняли участие 123 мужчины в возрасте от 19 до 55 лет (средний возраст 34+4,9 года, рост 174+5,7 см, масса 72+7,5 кг, расчётное содержание жира 9,6+3,5 кг, растворённый в организме азот 1,060,256 л). Они раз в неделю подвергались декомпрессии по одноступенчатому профилю со скоростью 20—50 м/с при подъемах на высоты 5,5-11 км на время 4-6 ч при комфортной температуре окружающего воздуха 21—23ОС. Рабочая частота в диапазоне 1,76-5,0 МГц обеспечила глубокое проникновение ультразвука в ткани организма вплоть до камер сердца и легочных артерий без значительных помех и искажений отраженного сигнала. При использовании высокой частоты ультразвука 10 МГц, появлялись значительные помехи из-за интерференции отраженного сигнала, поэтому не всегда удавалось надежно обнаруживать ГП в артериях и венах на фоне сигнала от в поверхностных и подкожных кровеносных сосудах. Основные результаты УЗИ даны на рисунке 1, где представлено распределение частоты заболеваемости ВДБ и обнаружения ГП на высотах от 5,5 до 11 км, в зависимости от величины КП. У семи обследуемых (6 %) не удалось провести качественное УЗИ из-за помех прохождению ультразвука и отсутствия в прекардиальной области тела так называемого ультразвукового окна для прохождения сигнала.


Рисунок 1- Кумулятивная частота возникновения симптомов ВДБ и случаев обнаружения ГП в зависимости от величины коэффициента перенасыщения [11]

 

Еще у трех обследуемых (2%) в отсутствие сигнала об обнаружении ГП в кровотоке возникали мышечно-суставные симптомы ВДБ (при декомпрессии к 225, 245 и 256 мм рт. ст.), вызванные ростом в тканях организма ГП только внесосудистой локализации. Аналогичные явления наблюдали также другие исследователи [4,5,7,11-13]. 

По суммарным данным многократных экспериментов в барокамере общая чувствительность УЗИ была достаточно высока и составила 96% от общего числа обследований (при многократном развитии симптомов у одних и тех же, предрасположенных к заболеванию лиц) и 93% от числа заболевших (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Изменение чувствительности и диагностической ценности доплеровского УЗИ при двукратном увеличении коэффициента перенасыщения с КП=1,5 до КП=3,0 при изменении высоты подъема в барокамере от 5,6 до 11 км, соответственно [9]

 

Специфичность УЗИ оказалась меньше и составила 70% от общего числа обследований. Из графиков следует, что для всего исследованного диапазона режимов декомпрессии 1,5КП3,0 диагностическая ценность доплеровского УЗИ невелика, составляя в среднем лишь 29,7% (77/259) от общего числа тестов и 55% (39/71) от количества обследованных лиц при 3-4-кратном повторении их тестирования в барокамере.

Поскольку на высотах 5,6 - 7,0 км в интервале 1,5КП1,8 при умеренной по своей тяжести физической работе ВДБ развивалась крайне редко, постольку в указанном диапазоне диагностическая ценность УЗИ была минимальной.

В среднем только на четвертом тесте и лишь у каждого пятого лица после обнаружении ГП следовали симптомы ВДБ, редко развивавшиеся при столь умеренном разрежении атмосферы.

Однако случаи ВДБ у испытателей добровольцев все же имели место, несмотря на то, что столь умеренные величины разрежения атмосферы и значения КП считались в ХХ веке относительно безопасными [1,2,7,14], т.к. при такой декомпрессии формировались в основном внесосудистые ГП, остававшиеся внутри тканей и не проникавшие в систему кровообращения. 

Только при КП в диапазоне 1,9КП3,0 показатель диагностической ценности постепенно увеличился, но его колебания находились в очень широком диапазоне от 33 до 100%.

Вариабельность этого показателя свидетельствовала лишь о малом количестве проведенных исследований на больших высотах, следовательно, она имела случайный характер. 

Однако диагностическая ценность достигла 100% для УЗИ при КП  3,0; т.е. при декомпрессии в барокамере до давления менее 200 мм рт. ст. 

В итоге, при умеренных степенях разрежения атмосферы, соответствующих высотам 5-7 км, обнаруживали в основном ГП с интенсивностью сигнала 1-2 балла, а симптомы ВДБ развивалась крайне редко. 

По этим причинам в интервале 1,5КП1,8 диагностическая ценность УЗИ была 25%. Она оставалась недостаточной для прогнозирования риска клинических проявлений ВДБ у трех из каждых 4 обследуемых лиц, т.к. на считавшихся ранее безопасными высотах формировались преимущественно внесосудистые газовые пузырьки в тканях, которые исключительно редко проникали в кровоток в виде венозных газовых эмболов.

При дальнейшей декомпрессии с УЗИ на высотах 8 - 11 км (1,9КП3,0) этот показатель увеличивался, но его колебания в диапазоне от 33-100% свидетельствовали лишь о возможности надежного прогноза последующего развития симптомов у каждого второго или третьего обследуемого лица при совершенно случайном характере проникновения ГП из тканей в кровеносную систему. 

По всей совокупности проведенных исследований, отрицательная прогностическая ценность достигла 70%, что не позволяет надежным образом выделить устойчивых к декомпрессии лиц по одной пробе в барокамере. Однократная проба обнаруживает лишь неустойчивых к декомпрессии лиц.

Таким образом, с помощью УЗИ при обследовании в барокамере можно определить неустойчивых к декомпрессии лиц, предрасположенных к частому развитию ВДБ с индивидуальной частотой 50-100% при многократном повторении декомпрессии.

Столь чувствительным к ВДБ лицам, следует рекомендовать при повторной декомпрессии применение специальных мер профилактики (например, предварительного вдыхания кислорода перед подъемом на высоту с целью выведения из организма растворенного в тканях азота), а также ограничивать их физическую активность вплоть до состояния относительного покоя весь период пребывания в условиях разреженной атмосферы. 

Применение регрессионного анализа к статистическим данным УЗИ об обнаружении ГП в кровотоке у группы из 42 заболевших ВДБ лиц дало высокую корреляционную связь (R0,98) между индивидуальной частотой развития мышечно-суставных симптомов (при многократных обследованиях) и интенсивностью сигнала ГП у чувствительных к ВДБ лиц. 

Прогностические линейные уравнения для оценки степени риска ВДБ в зависимости от интенсивности сигнала (баллы по Спенсеру), представленные на рисунке 3 имели следующий вид: 

Рисунок 3 - Регрессионные функции и квадраты коэффициентов корреляции для линейной зависимости между заболеваемостью мышечно-суставной формой ВДБ и интенсивностью УЗИ сигнала от наблюдения ГП

 

А) Для зависимости частоты развития симптомов (SF) от интенсивности сигнала ГП (G) при оценке заболеваемости относительно общего количества УЗИ с положительным результатом регистрации сигнала ГП в кровотоке 

SF(%) =20,9 G (баллы)+3,3 R=0,97 (4)

Б) Для зависимости частоты развития симптомов от интенсивности сигнала ГП при оценке заболеваемости относительно общего количества обследуемых лиц с положительным результатом регистрации сигнала ГП в кровотоке 

SF(%) =10,2 G (баллы)+2,0 R=0,99 (5)

Только для уравнения 5 коэффициент детерминации (R2) оказался статистически значим для 95%-ого доверительного уровня и достигает максимума, равного 0,995. 

При средней интенсивности сигнала от ГП величиной в 2 балла вероятность наблюдения симптомов и значимость обнаружения ГП при УЗИ оставались малы, т.к. только у каждого пятого обследуемого с такой интенсивностью сигнала можно ожидать появление симптомов ВДБ. 

Это заключение соответствует имеющимся в литературе данным о низкой прогностической ценности обнаружения в кровотоке сигнала ГП с интенсивностью 1-2 балла по шкале Спенсера [12,13,15]. 

При средней интенсивности сигнала от ГП величиной в 2 балла значимость исследования и вероятность наблюдения симптомов были ниже 0,5 даже у группы неустойчивых к декомпрессии лиц, что также свидетельствует о недостаточной прогностической ценности обнаружения в кровотоке средней интенсивности сигнала от ГП в 1-2 балла более чем в 50% тестов.

Только при повышении интенсивности сигнала от ГП до 3-4 баллов вероятность наблюдения клинических форм ВДБ увеличивалась до 0,8-0,9 при расчете относительно количества лиц, перенесших симптомы ВДБ (при статистически значимом коэффициенте корреляции равном 0,977). 

На рисунке 4 представлено квадратичное уравнение наилучшим образом характеризующее корреляционную связь между интенсивностью сигнала ГП и частотой легочных симптомов, наблюдавшихся только у 4 из 42 (9,5%) заболевших ВДБ лиц. 

 

Рисунок 4 - Квадратичное полиномиальное приближение для прогноза частоты развития легочной формы ВДБ в зависимости от интенсивности УЗИ сигнала от ГП в кровотоке (легочные симптомы развивались только при декомпрессии до высот 9-11 км)

 

Крайне малая статистика наблюдений легочной формы, составившая при применении профилактических мероприятий 0,9% от количества исследований в барокамере и всего 3,3% от числа обследованных с помощью УЗИ лиц, не позволила подтвердить статистическими методами значимость корреляции. Однако коэффициент корреляции был выше 0,99, а коэффициент детерминации был близок к 0,995, что подтверждало результаты ряда работ сотрудников ГНЦ РФ – ИМБП РАН О.И.Анисимова, В.П. Катунцева и М.А. Щербаковой (1998-1999) о высокой значимости УЗИ в заблаговременном прогнозе 29 случаев легочных симптомов.

В итоге применение доплеровского УЗИ, как главного критерия для прогнозирования риска, существенным образом повышает декомпрессионную безопасность экспериментов в барокамере, исключая частое развитие легочных и нейроцимркуляторных осложнений ВДБ по причине прекращения обследования сразу же после обнаружения ГП с интенсивностью в  1-2 балла при преморбидной форме ВДБ или более интенсивного сигнала ГП на уровне 3-4 баллов при неосложненных мышечно-суставных и кожных формах симптомов ВДБ. Но в реальных высотных полетах риск развития осложненной ВДБ может быть существенно выше именно из-за невозможности немедленно снизить высоту полета и произвести посадку.

Заключение: Таким образом, экспериментальная оценка информативности доплеровского УЗИ в обнаружении пузырьков, поступающих в кровоток, подтверждает высокую чувствительность данного метода мониторинга ГП в кровотоке и доказывает его пригодность для контроля донозологических изменений состояния человека в условиях пониженного атмосферного давления (гипобарии).

 

Список использованных источников

  1. Барер А.С., Катунцев В.П., Мансфельд А.Д. и др. Мониторинг газовых пузырьков ультразвуковым импульсно-доплеровским локатором у человека при работе в скафандре //Авиакосмическая и экологическая медицина. 1999,т. 33, №3, с. 34-37.
  2. Бухтияров И.В., Степанов В.К. К возможности возникновения высотных декомпрессионных расстройств в полетах перспективных одноместных самолетов - истребителей. Сборник тезисов: XII конференция по космической биологии и авиакосмической медицине /под ред. А.И. Григорьева, Е.А. Ильина. М., 2002. С. 74-75.
  3. Волков Л.К. Исследование закономерностей декомпрессионного газообразования в живом организме методом ультразвуковой локации. Дисс. канд. мед. н. Л., 1975.
  4. Исеев Л.Р., Поляков В.Н., Медных А.Я. Использование ультразвукового метода Доплера для оценки декомпрессионного газообразования. В сб.: Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека /под ред. В.С.Кощеева. М., 1985, с. 79-87.
  5. Катунцев В.П., Филипенков С.Н., Анисимов О.И. Ультразвуковая локация газовых пузырьков в кровеносном русле у человека при работе в скафандре //Авиакосмическая и экологическая медицина, 1992, т.26, № 3, с. 52-55.
  6. Мари Р.К, Греннер Д.К., Мейес П.А., Родуэлл В.В. Биохимия человека, т.2, М.: Мир, 2004, с. 368-369 
  7. Поляков В.Н., Исеев Л.Р., Чадов В.И., Меньшиков В.В. Опыт применения ультразвукового доплеровского устройства в гипобарических условиях. В сб.: Медико-биологические проблемы декомпрессии /под ред. А.М. Генина. М., 1991, с.48-53.
  8. Филипенков С.Н., Катаев Ю.В. Разработка методики ультразвукового исследования декомпрессионного газообразования при тренировках космонавтов. Труды ХХХ Чтений, посвящённых разработке научного наследия К.Э. Циолковского, секция "К.Э. Циолковский и проблемы деятельности космонавтов". М. 1996, с. 95-98.
  9. Филипенков С.Н. Ультразвуковые доплеровские исследования газовых пузырьков в кровотоке человека при высотной декомпрессии. ХIХ съезд физиологического общества им. И.П. Павлова. Тезисы докладов. Часть 2. Российский Физиологический Журнал им. И.М. Сеченова. Т.90, №8, 2004, с. 342.
  10. Филипенков С.Н. Способ оценки устойчивости оператора к декомпрессии до долей атмосферы в барокамере при имитации летной деятельности на высотах. Патент на изобретение №2387379 Заявка №2008136739 приоритет от 15 сентября 2008 г.
  11. Чадов В.И., Филипенков С.Н, Исеев Л.Р., Поляков В.Н., Воробьев Г.Ф. Декомпрессионная безопасность при моделировании работы в космическом скафандре. Труды 2-го международного аэрокосмического конгресса. т. II, М.: Изд. «Академия», 1999, с. 113-119.
  12. Gardette B. Correlation between decompression sickness and circulating bubbles in 232 divers. Undersea Biomed. Res., 1979, Vol. 6, N 1, pp. 99-107.
  13. Kumar V.K., Billica R.D., Waligora J.M. Utility of Doppler-detectable microbubbles in the diagnosis and treatment of decompression sickness. Aviat. Space Environ. Med. 1997; v. 68, N2, pp. 151-158.
  14. Norfleet W.T. Decompression – Relaed Disorders: Decompression Sickness, Arterial Gas Embolism, and Ebullism Syndrome. Ch.11. In: Principles of Clinical Medicine for Space Flight/ Edited by Barratt M.R., Pool S.L.,. Springer Science + Business Media, LLC. New York, USA. 2008, pp. 223-240.
  15. Spencer M.P. Decompression limits for compressed air determined by ultrasonically detected blood bubbles. J. Appl. Physiol., 1976, Vol. 40, pp. 229-235.