Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Пневмокард
Направление НПИ: 3. Человек в космосе
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Изучение влияния факторов КП на вегетативную регуляцию кровообращения и сократительную функцию сердца в длительном космическом полете
Цель эксперимента:

Целью эксперимента является получение новой научной информации для углубления представлений о механизмах адаптации кардиореспираторной системы к условиям длительного космического полета.

Описание эксперимента:

Одной из главных «мишеней» воздействия невесомости является система кровообращения, которая обеспечивает организм энергометаболическими ресурсами (транспорт кислорода и питательных веществ) и вынуждена настраиваться на новые условия существования. Процесс адаптации организма к длительному действию невесомости связан с напряжением регуляторных систем организма, которое тем выше, чем ниже функциональные резервы. Функциональные состояния организма в интервале между полной адаптацией к условиям окружающей среды и дизадаптацией включают целый ряд переходных состояний – так называемых донозологических и преморбидных состояний. Поэтому оценка и изучение степени напряжения регуляторных механизмов является важным методом оценки устойчивости сердечно-сосудистого гомеостаза в необычных условиях окружающей среды. Прибор «Пневмокард», установленный на борту МКС, наряду с оценкой центральной и периферической гемодинамики, сократительной функции сердца и параметров дыхания обеспечивают возможность оценки вегетативной регуляции кровообращения путем анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР). Благодаря созданию математической модели функциональных состояний и разработке вероятностного подхода к анализу ВСР удалось осуществить оценку функционального состояния организма по степени напряжения регуляторных систем и их функциональному резерву, а также оценивать вероятность развития патологических отклонений путем определения категории риска.

Задачами эксперимента являются:

- комплексное исследование состояния сердечно-сосудистой системы на разных этапах длительного космического полета с целью уточнения механизмов и стадий адаптации и выявления диагностических критериев для индивидуальной оценки степени адаптации организма к условиям невесомости;

- изучение влияния факторов космического полета на вегетативную регуляцию кровообращения, дыхания и сократительную функцию сердца в длительном космическом полёте с целью уточнения механизмов приспособления к условиям невесомости и выявления диагностических критериев для индивидуальной оценки степени адаптации организма.

- изучение синхронизации показателей сердечной деятельности и дыхания, а также изучение процессов управления кардиореспираторной системой по показателям вариабельности физиологических параметров;

- изучение взаимосвязи между функциональным состоянием кардиореспираторной системы в ходе длительного полета и переносимостью ортостатических и физических нагрузок в начальном периоде реадаптации с целью прогнозирования возможных реакций организма членов экипажа при возвращении на Землю.

В ходе эксперимента регистрируются следующие физиологические сигналы:

- электрокардиограмма (ЭКГ),

- импедансная кардиограмма (ИКГ),

- сейсмокардиограмма (СКГ),

- пневмотахограмма (ПТГ),

- фотоплетизмограмма пальца (ФПГ).

Объектами исследования являются кардиореспираторный гомеостаз и механизмы регуляции кардиореспираторной системы.

Объём и сроки реализации - обследование не менее 25 космонавтов.

Новизна эксперимента:

Одновременно исследуются практически все звенья механизма управления системой кровообращения, начиная от активности высших вегетативных центров до локальных сосудистых реакций, а также устанавливаются закономерности кардиореспираторного взаимодействия при различных функциональных состояниях. Для космической медицины и для практики медицинского контроля за членами экипажей является актуальным установление закономерностей кардиореспираторного взаимодействия при различных функциональных состояниях организма, поскольку, как известно, нарушения регуляции физиологических функций обычно предшествуют развитию опасных нарушений гомеостаза. В этой связи создание специализированного аппаратно-программного комплекса позволит получить новую научную информацию и осуществить прогностический подход к оценке функционального состояния членов экипажей. Следует отметить, что в настоящее время существует аналог проектируемой системы, как в отношении ее научной концепции, так и в плане информационного обеспечения. Начиная с пятой экспедиции, на борту МКС проводится эксперимент ПУЛЬС. К настоящему времени в ходе полетов проведено в общей сложности 19 экспериментов, результаты обработки которых, дали ценную научную информацию. После доставки на борт МКС комплекта «Пневмокард» вместо эксперимента «Пульс» будет проводиться эксперимент «Пневмокард». Это позволит в дополнение к имеющимся показателям осуществлять оценку состояния центральной гемодинамики и сократительной функции сердца. В результате исследований с помощью комплекса “Пневмокард” будут получены не только общеизвестные параметры сердечной деятельности и дыхания, не только показатели, характеризующие состояние механизмов регуляции, но и данные об уровне функционирования сердца, его гемодинамической функции и энергии сокращений. Специальное программное обеспечение позволит исследовать взаимосвязи многочисленных параметров и показателей изучить колебательную структуру их динамических рядов и оценить их синхронизацию. Такой подход открывает новые возможности раннего выявления нарушений в системе регуляции физиологических функций, что очень важно для прогнозирования функционального состояния космонавтов и научно обоснованной регламентации нагрузок. Фактически речь идет о качественно новом этапе исследования процессов адаптации организма к условиям невесомости. До сих пор изучались результаты воздействия невесомости на различные физиологические системы организма, в том числе на систему кровообращения. Наблюдавшиеся изменения являются лишь следствием нарушений процессов регуляции. При этом одними из первых возникают нарушения временной синхронизации различных процессов, затем нарушаются нормальные взаимосвязи между процессами и только затем выявляются изменения в самом регуляторном механизме. Следует иметь в виду, что связанные с процессом адаптации изменения регуляторного механизма, обычно оцениваются по состоянию отдельных звеньев нервной и гормональной регуляции ( вегетативный баланс, подкорковые нервные центры, система гипофиз-надпочечники). И этот подход активно развивается в последние годы. Именно в этом плане на МКС проводятся исследования в эксперименте ПУЛЬС. Переход к эксперименту ПНЕВМОКАРД позволит не только продолжить эти исследования на качественно новом уровне, но и резко увеличить их информативность за счет использования новых методов анализа информации.

Научная аппаратура:

При проведении эксперимента на борту МКС использовалась следующая аппаратура КЭ:

1. Комплект ПНЕВМОКАРД 220х220х50 мм, 1.20 кг.

2. Укладка «ПНЕВМОКАРД-КРМ» 160х160х25 мм, 0.15 кг, предназначенная для обеспечения эксперимента расходными материалами (электроды, салфетки).

3. Укладка «ПНЕВМОКАРД-ДАННЫЕ» 125х95х15 мм, 0.07 кг, содержащая PCMCIA-карту.

Из состава штатных средств РС МКС при проведении КЭ используются:

1. Бортовой компьютер медицинского обеспечения типа ThinkPad A31p RSE-Med.

2. Сфигмоманометр ТЕНЗО ПЛЮС.

Ожидаемые результаты:

В ходе реализации эксперимента Пневмокард будут изучены как механизмы вегетативной регуляции в условиях длительной невесомости, так и результаты этой регуляции гомеостатические реакции системы кровообращения и дыхания. С кибернетической точки зрения этот эксперимент направлен на исследование обоих звеньев функциональной системы: управляющего (вегетативного) и управляемого (миокардиально-гемодинамического). Благодаря применению специальных тестов будут последовательно нагружаться то одно, то другое из этих звеньев, то оба вместе. Поведение вегетативно-гемодинамического гомеостата в космическом полете до сих пор не изучено, хотя отдельные его звенья многократно исследовались. Можно полагать, что в 15 результате проведения эксперимента будут получены новые данные, которые будут иметь не только научное, но и практическое значение для дальнейшего развития системы оперативного медицинского контроля за состоянием здоровья космонавтов. Предполагается получение новых научных данных о механизмах адаптации организма к условиям невесомости, что позволит усовершенствовать систему медицинского контроля, повысить эффективность оценки функционального состояния экипажа. При выполнении космического эксперимента будут получены новые научные данные о механизмах адаптации к длительной невесомости. Оценка значимости этих результатов может быть проведена путем сравнения с уже имеющейся научной информацией.

Полученные результаты:

С помощью бортового прибора «Пневмокард» был получен ряд новых научных фактов, свидетельствующих о высокой индивидуальности адаптационных реакций организма на длительное действие невесомости. Подтверждена высокая эффективность и практическая значимость вероятностного подхода к оценке риска развития патологии на основе анализа вариабельности сердечного ритма. Показано, что один из членов экипажей в течение всего полета находился в зоне донозологических состояний, однако риск развития патологии у этого космонавта не превышал нормальных для космического полета пределов.

Таким образом, созданные и апробированные на практике методы оценки риска развития патологии позволяют определить наличие отклонений в функциональном состоянии организма на доклиническом (донозологическом) этапе. Учитывая, что изменения вегетативной регуляции функций предшествуют появлению энергометаболических, а тем более, структурных нарушений, оценка состояния вегетативного баланса могла бы дать полезную информацию при оперативном медицинском контроле здоровья космонавтов.

Результаты исследований, проведенных в рамках эксперимента «Пневмокард» показывают, что используемые методы и технологии адекватно отражают адаптационные реакции членов экипажа на разных этапах полета, что экипаж хорошо переносит длительное пребывание в условиях невесомости. Впервые проведенные более подробные исследования гемодинамики показали, что ее количественные характеристики соответствуют ранее описанным в литературе данным. При проведении функциональных тестов с задержкой дыхания выявлены некоторые новые эффекты, для объяснения которых требуются дальнейшие исследования. В частности, это относится к изменениям гемодинамики и сократительной функции сердца при задержках дыхания. Эти дыхательные тесты позволяют изучать активность левых и правых отделов сердца, поскольку на вдохе усиливается поступление крови в правое предсердие и правый желудочек, а на выдохе создается повышенное сопротивление выбросу крови из левого желудочка. В условиях космического полета изменяются хорошо известные из физиологии эффекты Старлинга (рост силы сердечных сокращений правого желудочка на вдохе) и Франка (увеличение работы левого желудочка на выдохе). При этом в некоторых предыдущих полетах наблюдались изменения, противоположные тем, которые описаны в данном отчете. Эти особенности могут быть обусловлены следующими факторами: -индивидуальные различия в положении сердца в грудной клетке, -индивидуальные различия в энергетике правых и левых отделов сердца и во временных характеристиках их взаимодействия, -индивидуальные особенности перемещения масс крови в верхние отделы тела в условиях невесомости, различия в реакциях периферических сосудов на условия невесомости. Поскольку до сих пор основные усилия исследователей были направлены на изучение периферического кровообращения как ведущего исполнительного механизма, реализующего реакции организма на ортостатические нагрузки, практически не уделялось внимания исследованиям работы сердца в условиях невесомости. Исследования, проведенные на МКС с использованием комплекса «Пневмокард», по существу являются первыми в космической медицине, где получен комплексный материал о гемодинамике, сократительной функции сердца и его вегетативной регуляции.

Один из главных выводов по результатам проведенных исследований заключается в констатации факта высокой индивидуальной изменчивости реакций космонавтов на влияние длительной невесомости. Мы выделили и описали различные типы вегетативной регуляции кровообращения, что помогло понять индивидуальные различия в реакциях космонавтов на условия полета. Были разработаны новые подходы к оценке риска развития патологии с учетом типов вегетативной регуляции. Однако остается много неясного в особенностях работы в невесомости сердца - главного органа системы кровообращения.

Сейчас делаются новые шаги по развитию исследований сердца. Планируются два новых космических эксперимента «Кардиовектор» и «Космокард». В эксперименте «Кардиовектор», где будет регистрироваться баллистокардиограмма по 6 осям (три линейных оси и три оси вращения), предполагается получить ответы на вопросы об энергетике сердечных сокращений в невесомости, о взаимодействии правых и левых отделов сердца, о роли усиленного кровенаполнения малого круга кровообращения. В эксперименте «Космокард» энергетика миокарда будет исследоваться по колебаниям микропотенциалов сердца, отражающим энергометаболические процессы на клеточном уровне. Будут также продолжены более детальные исследования вегетативной регуляции сердца.

На базе прибора «Пневмокард» будет создаваться новый прибор «Кардиовектор», который в дополнение к регистрируемым параметрам позволит проводить запись пространственной баллистокардиограммы одновременно по 6 осям (три линейных оси и три оси вращения). Баллистокардиография - это метод исследования силы и энергии сердечных сокращений путем записи движений тела, обусловленных выбросом крови желудочками сердца в крупные сосуды. Невесомость является идеальной средой для регистрации баллистокардиограммы, поскольку при этом отсутствуют силы трения и демпфирования, которые искажают записи, получаемые на Земле. С помощью пространственной баллистокардиографии предполагается получить ответы на вопросы об энергетике сердечных сокращений в невесомости, о взаимодействии правых и левых отделов сердца, о роли усиленного кровенаполнения малого круга кровообращения. Планируется и второй эксперимент «Космокард», в котором энергетика миокарда будет исследоваться по колебаниям микропотенциалов сердца, отражающим энергометаболические процессы на клеточном уровне. Будут также продолжены более детальные исследования вегетативной регуляции сердца.

Таким образом, результаты эксперимента «Пневмокард» не только дают новую научную информацию о состоянии системы кровообращения в условиях длительной невесомости, но и ставят новые вопросы, ответ на которые может быть получен в планируемых новых космических экспериментах.

Сроки проведения: Проводится с МКС-14 и по настоящее время. В период экспедиций с МКС-14 по МКС-28 проведено 94 сеанса эксперимента, обследовано 19 российских космонавтов. В период 2012 года на этапах основных экспедиций МКС-30, МКС-31/32 и МКС-33/34 запланировано проведение 43 сеансов эксперимента. Запланированный срок окончания лётной реализации космического эксперимента «Пневмокард» - 2013 год.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: ГНЦ РФ-ИМБП РАН
Организации участники: ФГУП ЦНИИмаш; РКК "Энергия" им. СП. Королёва; РГНИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина.
Научный руководитель: Баевский Р.М., ИМБП РАН, главный научный сотрудник, д.м.н., профессор
Публикации по эксперименту:

1. I. Funtova, R. Baevsky, E. Luchitskaya, I. Slepchenkova, J. Drescher, J. Tank. Day- vs. night time heart rate variability changes in microgravity: experiments “Pneumocard" and “Sonocard". 62nd International Astronautical Congress 2011, ID: 10491

2. Roman M. Baevsky, Anna G. Chernikova, Irina I. Funtova, Jens Tank. Assessment of Individual Adaptation to Microgravity during long term space flight based on stepwise Discriminant Analysis of Heart Rate Variability Parameters. Acta Astronautica, 2011, AA-D-11-00046R1

3. Р.М. Баевский, Е.Ю. Берсенев, О.И. Орлов, И.Б. Ушаков, А.Г. Черникова. Проблема оценки адаптационных возможностей организма в авиационной и космической медицине. Российский физиологический журнал (принято к печати).

4. R.M. Baevsky, I.I. Funtova, J. Tank. Research experiment «Pneumocard» onboard the International space station. ISHNE-2011, Moscow, April, 2011

5. A.G. Chernikova, R.M. Baevsky, I.I. Funtova. The probability approach to an estimation of risk of a pathology at cosmonauts according to analysis HRV., ISHNE-2011, Moscow, April, 2011

6. Р.]М. Баевский, Е.Ю. Берсенев, Е.С. Лучицкая, И.И. Фунтова, А.Г. Черникова. Исследования вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы в условиях длительной невесомости. Космический Форум. М., октябрь 2011

7. И.И.Фунтова, Е.С. Лучицкая, И.Н. Слепченкова, Й. Танк, Р.М. Баевский. Сравнительная оценка результатов дневных и ночных исследований вариабельности сердечного ритма на борту международной космической станции. Ижевск, 26-28 октября 2011 г

8. Baevsky R.M. Current Problems of Space Cardiology. Human Physiology, 2010, Vol. 36, No. 7, pp. 18–29.

9. Лучицкая Е.С., Черникова А.Г., Фунтова И.И., Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма в космической медицине. Результаты исследований на международной космической станции. 4-й Всероссийский Конгресс "Клиническая электрокардиология", 28-29 апреля 2010 г., . Великий Новгород. с.62-63

10. Tank J., Baevsky R., Funtova I., Diedrich A., Drescher J. Autonomic function testing onboard ISS for crew health monitoring with “Puls” and “Pneumocard” – results, limitations and next steps. 61-th IAC, Prague, Sept 27 - Oct 1. 2010

11. Baevsky R., Funtova I., Diedrich A., Drescher J., Tank J. Flight Experiment „Pneumocard“: Results and Perspectives. 5-th International Congress of Medicine in Space and Extreme Environments. Berlin, 18.-21.10.2010, Abstracts p.24

12. Chernikova A.G., Baevsky R.M. New Approach to Heart Rate Variability Analysis. Abstract for the French-Russian-Belarussian Conference Oral presentations 10-14 March, 2010. Medical University, Angers, France

13. Черникова А.Г. Оценка функционального состояния организма в условиях длительного космического полета на основе анализа вариабельности сердечного ритма. Автореферат канд. дисс. ИМБП, М., 2010, 24 с.

14. I. Funtova, R. Baevsky, E. Luchitskaya, I. Slepchenkova, J. Drescher, J. Tank. Day- vs. night time heart rate variability changes in microgravity: experiments “Pneumocard" and “Sonocard". 62nd International Astronautical Congress 2011, ID: 10491

15. Roman M. Baevsky, Anna G. Chernikova, Irina I. Funtova, Jens Tank. Assessment of Individual Adaptation to Microgravity during long term space flight based on stepwise Discriminant Analysis of Heart Rate Variability Parameters. Acta Astronautica, 2011, AA-D-11-00046R1

16. Р.М. Баевский, Е.Ю. Берсенев, О.И. Орлов, И.Б. Ушаков, А.Г. Черникова. Проблема оценки адаптационных возможностей организма в авиационной и космической медицине. Российский физиологический журнал (принято к печати).

17. R.M. Baevsky, I.I. Funtova, J. Tank. Research experiment «Pneumocard» onboard the International space station,. ISHNE-2011, Moscow, April, 2011

18. A.G. Chernikova, R.M. Baevsky, I.I. Funtova. The probability approach to an estimation of risk of a pathology at cosmonauts according to analysis HRV., ISHNE-2011, Moscow, April, 2011

19. Р.]М. Баевский, Е.Ю. Берсенев, Е.С. Лучицкая, И.И. Фунтова, А.Г. Черникова. Исследования вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы в условиях длительной невесомости. Космический Форум. М., октябрь, 2011

20. И.И.Фунтова, Е.С. Лучицкая, И.Н. Слепченкова, Й. Танк, Р.М. Баевский. Сравнительная оценка результатов дневных и ночных исследований вариабельности сердечного ритма на борту международной космической станции. Ижевск, 26-28 октября 2011 г.

Последнее обновление: 16.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения