СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДЕКВАТНОСТИ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТНОЙ АДАПТИВНОЙ РЕАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ВНЕШНЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ Российский патент 2007 года по МПК A61B5/01 A61B5/02 G01N33/48 

Изобретение относится к биологии и медицине. Оно может найти применение в научных и прикладных исследованиях поведения биосистем в окружающей среде, в спорте высших достижений, массовой физической культуре, в физиологии, биохимии, психологии, в профессиональной деятельности, связанной со значительными физическими и психоэмоциональными нагрузками, а также на различных этапах реабилитации.

Известен способ определения степени защитной реакции организма на длительную физическую работу, заключающийся в проведении исследования полиморфизма гена ангиотензинпревращающего фермента в геномной ДНК из промывной жидкости ротовой полости обследуемого посредством полимеразной цепной реакции (ПЦР) и определение на основе этих исследований генетической предрасположенности человека к выполнению длительной физической работы по наличию И-аллеля (см. патент RU №2194982, 27.06.2000 г., кл. G 01 №33/48). Недостатком известного способа является сложность осуществления генного анализа, так как для его проведения требуется дополнительное оборудование и реактивы. При этом способ позволяет получить информацию о состоянии организма, например, спортсмена только до начала и после окончания тренировочного периода, но не в его процессе.

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения адекватности реакции организма на внешнее воздействие, включающий измерение значений температуры поверхности тела и воздуха над работающими мышцами человека, вычисление значения показателя эффективности регуляции гомеостаза и определение момента перехода организма в состояние перенапряжения и выявление необходимости снижения величины внешних воздействий или полного их исключения (см. патент RU №2043632, 28.04.1992 г., кл. G 01 №33/48). Однако известный способ является недостаточно информативным, так как не учитывает соотношения энтропийно-негэнтропийных процессов в биосистеме, интенсивность потоков энтропии, а также степень отклонения биосистемы от стационарного состояния.

Целью изобретения способа является повышение его универсальности и расширение функциональных возможностей при оценке процессов в биосистеме за счет определения комплексной характеристики взаимосвязей уровней количественно-качественных изменений энтропии внутренней среды биосистемы со степенью отклонения функционирования метаболизма от стационарного состояния по изменению показателей интенсификации катаболических и анаболических процессов с выявлением типов состояния энергогомеостаза неспецифической защитной адаптивной реакции биосистемы. Заявленный способ позволяет проводить оперативный контроль адекватности неспецифической защитной адаптивной реакции в реальном масштабе времени, в том числе в процессе тренировки, а также обеспечивает возможность прогнозирования состояния биосистемы. Предложенный способ при высокой степени точности прост и доступен в воспроизведении.

Цель изобретения достигается за счет того, что одновременно с измерением температуры тела и температуры внешней среды над работающими мышцами измеряют частоту сердечных сокращений и величину воздействующего фактора, после чего на основании полученных данных состояние энергетического гомеостаза организма оценивают по интегральному показателю соотношений энтропийно-негэнтропийных процессов в биосистеме, который определяют по формуле:

где

- интегральный показатель энтропийно-негэнтропийных процессов в биосистеме (вторая производная энтропии),

λ - коэффициент теплопроводности кожи,

λ' - коэффициент теплопроводности мышц,

T_ij - температура ядра биосистемы (справочные данные),

T_sj - температура тела в конце заданного (j-го) интервала,

T_s(j-1) - температура тела в начале заданного (j-го) интервала,

T_Ej - температура воздуха внешней среды,

S₀ - равновесное значение энтропии (справочные данные),

dt_j - интервал времени измерения значений температуры в минутах,

и по графическому изображению интегрального показателя, проводят оперативный анализ адекватности неспецифической защитной адаптивной реакции биосистемы в реальном масштабе времени, для чего по характеру кривой выявляют состояние метаболизма по сбалансированности катаболических и анаболических процессов, а характер ведущего механизма энергетического обеспечения определяют по протеканию преимущественно аэробного или анаэробного процессов в организме, при этом фиксируют анаэробный порог, как точку перехода биосистемы из аэробного процесса в анаэробный, и определяют для этой точки значение частоты сердечных сокращений и величину воздействующего фактора, при этом на основании выявленного состояния метаболизма и характера ведущего механизма энергетического обеспечения в биосистеме определяют тип энергетического состояния на момент исследования и при высокоэнергетическом состоянии биосистемы делают вывод об адекватности неспецифической защитной адаптивной реакции, а при низкоэнергетическом состоянии биосистемы делают вывод о неадекватности неспецифической защитной адаптивной реакции.

При этом заявленный способ позволяет прогнозировать эволюцию биосистемы, обеспечить возможность регулирования процессов адаптации биосистем и выявить степень отклонения биосистемы от стационарного состояния для чего по графическому изображению интегрального показателя d2Si/dt2=f(dSi) на фазовой плоскости определяют направление вектора развития неспецифической защитной адаптивной реакции биосистемы. Взаимосвязь между уровнем основного (dS) параметра и изменением его скорости четко прослеживается на фазовой плоскости. Последняя представляет собой плоскость, на которой по двум осям координат (X, Y) откладываются две переменные d2Si/dt2=f(dSi), характеризующие поведение данной системы регулирования в динамике. Для биосистемы с адекватной неспецифической защитной адаптивной реакции изображение на фазовой плоскости имеет вид сходящейся спиралевидной траектории. Для биосистемы с неадекватной неспецифической защитной адаптивной реакции зависимость d(dS)/dt-f(dS) на фазовой плоскости представлена расходящемся спиралевидной фазовой траекторией. Известно, что системы с затухающим переходным процессом являются устойчивыми системами, с расходящимися процессами - неустойчивыми.

Количественно-качественные изменения энтропии внутренней среды (dSi) определяют степень отклонения в функционировании метаболизма от стационарного состояния. Значения d2Si/dt2>0 являются показателями интенсификации катаболических процессов, значения d2Si/dt2<0 отражают преобладание анаболических процессов. Положительный эффект заключается в том, что реализация заявленного способа позволяет определить изменения внутренней среды биосистемы на молекулярном (биохимия, биофизика), организменном и надорганизменном уровнях с определением основного интегрального показателя, характеризующего адекватность изменения неспецифической защитной адаптивной реакции на любое внешнее воздействие.

Интегральный показатель соотношений энтропийно-негэнтропийных процессов в биосистеме в математическом выражении представляет собой вторую производную энтропии.

Любое внешнее воздействие вызывает в организме два типа ответной реакции: адекватную и неадекватную. При адекватной реакции сохраняется сбалансированность катаболических и анаболических процессов. Неадекватная ответная реакция характеризуется дисбалансом катаболических и анаболических процессов, которое проявляется в чрезмерной интенсификации катаболических реакций и в снижении анаболических, что приводит систему не только к субстратному и энергетическому истощению, но и увеличению теплопродукции. Изменение внутренней энергии биосистемы (в том числе организма человека) подчиняется законам термодинамики. Исследования проводились на эволюционирующей биологической системе. В качестве модели использовано физическое воздействие разной длительности и интенсивности, вплоть до экстремальной. Уровень воздействия оценивался по адекватности неспецифической защитной адаптивной реакции. Характер воздействия определялся по интегральному показателю соотношений энтропийно-негэнтропийных процессов внутренней среды.

Основой адаптивных процессов является энергообеспечение организма для поддержания оптимального функционирования его систем.

По величине d2Si/dt2 можно судить об интенсивности потоков энтропии, о степени отклонения биосистемы от стационарного состояния. По характеру полученной кривой выявляют тип энергетического состояния организма. Можно выделить 8 типов энергетического состояния организма, позволяющих оценить адекватность реакции организма на величину и качество физической нагрузки, характеризовать катаболический и анаболический процессы, аэробно-анаэробные показатели и сделать заключение о сбалансированности катаболических и анаболических процессов, а также судить о состоянии гомеостаза.

1 тип

Высокоэнергетическое состояние. Реакция организма в данном тесте соответствует величине и направленности физической нагрузки. Аэробные возможности организма высокие. Энергообразующие (катаболические) процессы - оптимальные. Восстановительные (анаболические) процессы - оптимальные. Полная сбалансированность путей метаболизма, синхронизация фаз метаболизма. Потенциальные резервы организма не исчерпаны.

2 тип

Высокоэнергетическое состояние. Реакция организма в данном тесте соответствует величине и направленности физической нагрузки. Аэробные возможности организма высокие. Энергообразующие (катаболические) процессы - оптимальные. Восстановительные (анаболические) процессы - оптимальные. Полная сбалансированность путей метаболизма, синхронизация фаз метаболизма. Потенциальные резервы организма исчерпаны.

3 тип

Высокоэнергетическое состояние организма на фоне низкой компенсаторной возможности капилярного сосудистого русла. Состояние развивается при низкой тренированности. Возможно при небольшом стаже спортивной деятельности, преобладании нагрузок анаэробной направленности в тренировочной процессе.

4 тип

Высокоэнергетическое состояние. Основные энергодающие процессы креатинфосфатный и АТФ-азный. Липолиз не задействован. Генотип характерен для скоростно-силовых проявлений в спорте. Перспективы повышения удельной мощности относительно не высоки.

5 тип

Низкоэнергетическое состояние. Реакция организма не соответствует величине и направленности предложенной нагрузки. Аэробные возможности организма низкие. Десинхронизация фаз метаболизма на фоне гиперкатаболической реакции. Анаболические процессы снижены. Потенциальные резервы организма исчерпаны.

6 тип

Низкоэнергетическое состояние. Реакция организма не соответствует величине и направленности предложенной нагрузки. Аэробные возможности организма низкие, Десинхронизация фаз метаболизма на фоне гиперкатаболической реакции. Анаболические процессы снижены. Низкая компенсаторная возможность капилярного сосудистого русла. Состояние развивается при перетренированности, особенно при преобладании нагрузок силового характера и анаэробной направленности.

7 тип

Низкоэнергетическое состояние. Реакция организма не соответствует величине и направленности предложенной нагрузки. Аэробные возможности организма низкие. Десинхронизация фазметаболизма на фоне гиперкатаболической реакции. Анаболические процессы снижены. Потенциальные резервы организма не исчерпаны. Нарушение централизации кровообращения.

8 тип

Низкоэнергетическое состояние. Реакция организма не соответствует величине и направленности предложенной нагрузки. Низкие аэробные возможности. Десинхронизация фаз метаболизма. Низкоэнергетическая гипокатаболическая реакция на фоне высокого анаболизма. Детренированность

Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где на фиг.1 показана реакция на внешнее воздействие биосистемы, функционирующей в высокоэнергетическом режиме, на фиг.2 показана реакция биосистемы на внешнее воздействие, функционирующей в низкоэнергетическом режиме, на фиг.3 представлен фазовый портрет биосистемы с адекватной неспецифической защитной адаптивной реакцией, а на фиг.4 представлен фазовый портрет биосистемы с неадекватной реакцией на внешнее воздействие.

Осуществление заявленного способа рассматривается на конкретном примере и поясняется фиг.1 и фиг.3. Спортсмен выполнял тренировочную программу на гребном эргометре "Concept II", которая представляет собой работу в постепенно "утяжеляющихся" условиях. Первоначально заданная мощность 100 Вт, которую спортсмен удерживал в течение 3-х минут, повышалась на 50 Вт каждые 3 минуты. Последующая ступень выполнялась спортсменом при нарастающих изменениях в системе энергогомеостаза. При этом температуру ядра биосистемы принимают обычно равной 37°С. Температура тела в процессе исследования изменялась от 32,6 до 36,3°С, а частота сердечных сокращений от 90 уд. в мин до 187 уд в мин. Функционирование организма спортсмена высокого класса отображено на графике интегрального показателя соотношения энтропийно-негэнтропийных процессов в организме (фиг.1), построенному по формуле (1). Кривая представляет собой реакцию биосистемы на любое воздействие и является количественно-качественным отражением состояния энергообмена. Наличие части кривой, лежащей ниже нулевой линии с 3 по 12 минуту, указывает на задействованность преимущественно аэробных энергопроизводящих процессов и характеризует адекватность неспецифической защитной адаптивной реакции. На 12-й минуте кривая пересекает "нулевую" линию. Точка пересечения является показателем перехода процессов преимущественно аэробного энергетического обеспечения на анаэробное и является порогом анаэробного обмена Точки, соответствующие 3-й и 12-й минутам работы для биосистемы, являются точками переключения фаз метаболизма. В точке А на 3-й минуте происходит переключение катаболической фазы на анаболическую, в точке В на 12 минуте - переключение с анаболической фазы на катаболическую. Величина мощности в точке А составляет 150 Вт, а частота сердечных сокращений - 120 ударов в минуту, в точке В величина мощности составляет 300 Вт, а частота сердечных сокращений 180 ударов в минуту. Наличие этих данных позволяет дать заключение о характере ведущего механизма энергетического обеспечения, в данном примере аэробного, состоянии сбалансированности катаболических и анаболических процессов метаболизма, и сделать вывод, что энергетическое состояние спортсмена соответствует 2 типу, а порог анаэробного обмена данного спортсмена определяется на мощности 300 Вт и пульсе 180 ударов в минуту. На данном примере можно сделать вывод об адекватном развитии неспецифической защитной адаптивной реакции при заданной физической нагрузке.

Для прогнозирования эволюции биосистемы данного спортсмена строим графическое изображение на фазовой плоскости d2Si/dt2=f(dSi) (фиг.3). Наличие фазового портрета в виде сходящейся спиралевидной траектории характеризует адекватное развитие неспецифической защитной адаптивной реакции организма данного спортсмена при заданных нагрузках.

На фиг.2 показан пример функционирования организма спортсмена в низкоэнергетическом режиме. Кривая интегрального показателя энтропийно-негэнтропийных процессов в организме не опустилась ниже нулевой линии, что является показателем преобладания катаболических процессов метаболизма и анаэробного характера ведущего механизма энергетического обеспечения, что соответствует 6 типу энергетического состояния организма. Наличие фазового портрета (фиг.4) данного спортсмена в виде расходящейся спиралевидной траектории характеризует неадекватное развитие неспецифической защитной адаптивной реакции данного спортсмена при заданных нагрузках.

При заключении по графику фиг.1 и фиг.2 оценивают интегральный показатель энтропийно-негэнтропийных процессов, уровень частоты сердечных сокращений и мощность. И определяют индивидуальные пульсовые границы частоты сердечных сокращений для аэробной восстанавливающей зоны и аэробной развивающей зоны. Все показатели сопоставляются. Сопоставление интегрального показателя, частоты сердечных сокращений и мощности в одном и том же интервале дает возможность судить о качестве (аэробная или анаэробная) и количестве нагрузки (уровень мощности, необходимая доза и длительность) и оценить в целом адекватность состояния неспецифической защитной адаптивной реакции на физическое воздействие, что позволяет в дальнейшем правильно построить тренировочный процесс, период восстановления или реабилитации.

Наличие у тренера и врача подобных сведений позволит ответить на вопрос о соответствии состояния биоэнергетики организма спортсмена требованиям, предъявляемым современной системой подготовки в данном виде спорта и судить об эффективности определенного тренировочного цикла.

Данный способ при его использовании показал высокую эффективность и чувствительность к изменениям состояния организма при определении неспецифической защитной адаптивной реакции не только при спортивных нагрузках, но и при напряженной интеллектуальной деятельности, а также при любом внешнем возмущающем воздействии на биосистему.

Изобретение относится к биологии и медицине. Способ включает измерение температуры тела и температуры внешней среды над работающими мышцами, измерение частоты сердечных сокращений и величину воздействующего фактора. Вычисляют интегральный показатель соотношений энтропийно-негэнтропийных процессов в организме. По характеру кривой выявляют состояние сбалансированности катаболических и анаболических процессов метаболизма и характер ведущего механизма энергетического обеспечения в виде протекания преимущественно аэробного или анаэробного процессов в организме. При этом фиксируют анаэробный порог, как точку перехода организма из аэробного процесса в анаэробный, и определяют для этой точки значение частоты сердечных сокращений и величину воздействующего фактора. Определяют тип энергетического состояния на момент исследования, и при высокоэнергетическом состоянии делают вывод об адекватности, а при низкоэнергетическом состоянии - о неадекватности неспецифической защитной адаптивной реакции. Выявляют степень отклонения биосистемы от стационарного состояния, для чего по графическому изображению интегральнлго показателя d2Si/dt2=f(dSi) на фазовой плоскости определяют направление вектора развития неспецифической защитной адаптивной реакции организма. Об адекватном развитии неспецифической защитной адаптивной реакции судят по характеру фазового портрета в виде сходящейся спиралевидной траектории, а при получении изображения в виде расходящейся спиралевидной траектории делают вывод об неадекватном развитии неспецифической защитной адаптивной реакции биосистемы. Способ более эффективен и чувствителен к изменениям состояния организма. 4 ил.

Способ определения адекватности неспецифической защитной адаптивной реакции организма на внешнее воздействие, включающий измерение температуры поверхности тела с одновременным измерением температуры внешней среды над работающими мышцами для определения состояния энергетического гомеостаза организма, отличающийся тем, что одновременно с измерением температуры тела и температуры внешней среды над работающими мышцами измеряют частоту сердечных сокращений и величину воздействующего фактора, после чего на основании полученных данных оценивают состояние энергетического гомеостаза организма по интегральному показателю соотношений энтропийно-негэнтропийных процессов в организме, который определяют по формуле

где - интегральный показатель энтропийно-негэнтропийных процессов в организме - вторая производная энтропии;

λ - коэффициент теплопроводности кожи;

λ' - коэффициент теплопроводности мышц;

Т_ij - температурное ядро организма;

T_sj - температура тела в конце заданного j-го интервала;

T_s(j-1) - температура тела в начале заданного j-го Интервала;

T_Ej - температура воздуха внешней среды;

S₀ - равновесное значение энтропии

dt_j - интервал времени измерения значений температуры, мин,

и по графическому изображению интегрального показателя проводят оперативный анализ адекватности неспецифической защитной адаптивной реакции организма в реальном масштабе времени, для чего по характеру кривой выявляют состояние метаболизма по сбалансированности катаболических и анаболических процессов, причем значения d²S_i/dt₂>0 отражают преобладание катаболических процессов, а значения d²S_i/dt₂<0 отражают преобладание анаболических процессов, характер ведущего механизма энергетического обеспечения определяют по протеканию аэробного или анаэробного процессов в организме, фиксируют анаэробный порог путем определения значений частоты сердечных сокращений и величины воздействующего фактора как точку перехода реакции организма из аэробного процесса в анаэробный, на основании выявленного состояния метаболизма и характера ведущего механизма энергетического обеспечения в организме определяют тип энергетического состояния на момент исследования и при высокоэнергетическом состоянии организма делают вывод об адекватности неспецифической защитной реакции, а при низкоэнергетическом состоянии организма делают вывод о неадекватности неспецифической защитной адаптивной реакции, при этом по графическому изображению интегрального показателя d²S_i/dt₂=f(dS_i) на фазовой плоскости определяют направление вектора развития неспецифической защитной адаптивной реакции организма и об адекватном развитии неспецифической защитной адаптивной реакции судят по характеру фазового портрета в виде сходящейся спиралевидной траектории, а при получении изображения в виде расходящейся спиралевидной траектории делают вывод о неадекватном развитии неспецифической защитной адаптивной реакции организма.