Евгений Мелехин

Биоуправление по динамике параметров бронхо -легочной системы

Евгений Мелехин







Биоуправление по динамике параметров бронхо - легочной системы

Алгоритм, схема реализации программноаппаратного комплекса, клиническое исследование
















LAP LAMBERT Academic Publishing

Impressum / Выходные данные
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Alle in diesem Buch genannten Marken und Produktnamen unterliegen warenzeichen-, marken- oder patentrechtlichem Schutz bzw. sind Warenzeichen oder eingetragene Warenzeichen der jeweiligen Inhaber. Die Wiedergabe von Marken, Produktnamen, Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen u.s.w. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften.

Библиографическая информация, изданная Немецкой Национальной Библиотекой. Немецкая Национальная Библиотека включает данную публикацию в Немецкий Книжный Каталог; с подробными библиографическими данными можно ознакомиться в Интернете по адресу http://dnb.d-nb.de.
Любые названия марок и брендов, упомянутые в этой книге, принадлежат торговой марке, бренду или запатентованы и являются брендами соответствующих правообладателей. Использование названий брендов, названий товаров, торговых марок, описаний товаров, общих имён, и т.д. даже без точного упоминания в этой работе не является основанием того, что данные названия можно считать незарегистрированными под каким-либо брендом и не защищены законом о брендах и их можно использовать всем без ограничений.

Coverbild / Изображение на обложке предоставлено: www.ingimage.com

Verlag / Издатель:
LAP LAMBERT Academic Publishing
ist ein Imprint der/ является торговой маркой
AV Akademikerverlag GmbH & Co. KG
Heinrich-Bocking-Str. 6-8, 66121 Saarbrucken, Deutschland / Германия
Email / электронная почта: info@lap-publishing.com

Herstellung: siehe letzte Seite/
Haпечатано: см. последнюю страницу
ISBN: 978-3-659-37674-0

Copyright/АВТОРСКОЕ ПРАВО © 2013 AV Akademikerverlag GmbH & Co. KG
Alle Rechte vorbehalten. / Все права защищены. Saarbrucken 201 3

Содержание (оглавление)

Введение                                                   2 
Глава 1. Обзор литературы                                  6 
1. Физиологические основы и методы регистрации углекислого 6 
газа в организме человека                                    
2. Биоуправление с биологической обратной связью           10
2.1. Сущность метода                                       10
2.2. Области применения                                    12
2.3. Виды биоуправления                                    14
2.4. Эффекты БОС-тренинга                                  15
2.5. Обзор существующих разработок в области               17
биоуправления по параметрам дыхания в настоящее время        
Глава 2. Материал и методы исследования                    19
Глава 3. Результаты и обсуждение                           22
Выводы                                                     35
Список литературы                                          37
Приложения                                                 40

1

            Введение


     Дыхание — жизненно необходимый процесс для человека и всех живых существ. При дыхании в легких происходит обмен газами между кровеносным руслом и окружающей средой. При этом углекислый газ, как выделившийся в атмосферу, так и растворенный в крови, подавляющее большинство людей считают бесполезным продуктом. В действительности растворенный в крови углекислый газ оказывает огромное влияние на скорость и направление многих метаболических процессов.
     Углекислота является важнейшим ингредиентом процессов окисления, образуется она в окислительном цикле Кребса. После своего образования молекула СО₂ в клетках соединяется с калием, в плазме с натрием, в костях с кальцием. В крови около 5% общего количества углекислоты находится в растворенном состоянии в виде СО₂ газа.
     В связи с этим можно сделать заключение, что углекислый газ (СО₂) играет очень важную роль в жизнедеятельности организма. И на сегодняшний день достоверно известно, что значительный круг заболеваний протекает на фоне или по причине уменьшения/увеличения содержания СО₂ в тканях (гипокапния/гиперкапния), что может сопровождать ряд заболеваний (трахеит, бронхит, астма, пневмония, гипервентиляционный синдром и т.д.)
     Элиминация углекислоты, доставленной системой кровообращения в малый круг, целиком зависит от внешнего дыхания. При этом различные нарушения в этой системе могут привести к изменениям концентрации СО₂ в крови за счет увеличения или уменьшения скорости выведения при дыхании. Изменения концентрации углекислоты в артериальной крови и в альвеолах могут быть связаны с изменением вентиляции легких и с нарушениями вентиляционно-перфузионных отношений. Чаще всего эти параметры изменяются в связи с нарушениями легочной вентиляции.

2

   Для мониторинга за данными состояниями распространение получила методика капнометрии, позволяющая определить с помощью датчиков, расположенных в воздушной магистрали, связанной с дыхательной системой, динамику изменения концентрации СО₂. Капнограф позволяет регистрировать значения частоты дыхания, концентрации СО₂ на выдохе, отображать на графическом дисплее капнограмму (кривая изменения концентрации СО₂ во времени). Считается, что капнограмма обладает такой же информативностью о работе легких, как ЭКГ о работе сердца. Мониторинг концентрации СО₂, с целью контроля вентиляции пациента, включен в стандарты интраоперационного мониторинга большинства развитых стран.
   Для того чтобы избавиться от различных заболеваний, вызванных изменениями углекислого газа в крови, без применения медикаментозной терапии, необходимо восстановить способность организма поддерживать данный параметр на должном уровне. В этой связи актуальной задачей современной медицины становится разработка методик коррекции данных состояний, основанных на обращении к естественным ресурсам человеческого организма. Одним из таких методов является управление с биологической обратной связью (БОС), или БОС-тренинг.
   Биоуправление - это современная компьютерная лечебнооздоровительная технология, базирующаяся на принципах биологической обратной связи. Основной задачей биоуправления является обучение навыкам саморегуляции, обратная связь облегчает процесс обучения физиологическому контролю, а оборудование делает доступной информацию, в обычных условиях не воспринимаемую.
   Цель: разработать и реализовать в виде программно-аппаратного комплекса методику биологической обратной связи для регуляции

3

параметров внешнего дыхания: концентрации СО₂ в выдыхаемом воздухе и частоты дыхания.


            Задачи:


   1.      Разработать алгоритм оценки и предъявления в виде сигнала обратной связи параметров внешнего дыхания: концентрации СО₂ в выдыхаемом воздухе и частоты дыхательных движений.
   2.      Реализовать метод в виде программно-аппаратного комплекса для использования в лечебно-профилактических учреждениях.
   3.      Провести апробацию методики БОС-тренинга в составе комплекса реабилитационных мероприятий для восстановления функций внешнего дыхания пациентов хирургического отделения.
   Новизна
   Биоуправление на основе биологической обратной связи по капнограмме впервые применяется в практической работе хирургического отделения в составе комплекса реабилитационных мероприятий для восстановления функций внешнего дыхания послеоперационных пациентов.
   Для того, чтобы не допустить осложнений со стороны дыхательной системы у пациентов во время занятий БОС-тренингом, в программном приложении реализована система ограничений по частоте дыхания и концентрации СО₂ (при выходе за пределы нормы по данным параметрам выдается сообщение о некорректном проведении биоуправления).
   Практическая значимость
   В ходе исследования была разработана методика биоуправления, которая может быть использована для решения широкого круга задач в области клинической медицины.
   Возможными направлениями использования БОС-тренинга по капнографии могут являться:

4

   - Клиническая медицина
  •  в комплексе лечебных мероприятий при заболеваниях бронхо -легочной системы;
  •  в реабилитации больных с хронической обструктивной болезнью легких, послеоперационных больных.
   - Психотерапия
  • для обучения саморегуляции с использованием дыхательных
     методик.
   - Спортивная медицина
• для проведения дыхательных тренировок, определения резервов
     системы дыхания

5

Глава 1. Обзор литературы
     1. Физиологические основы и методы регистрации углекислого газа в организме человека
     Предпосылкой для настоящего исследования послужило наличие у современного человека различных по симптоматике заболеваний, объединенных в одну большую группу болезней дыхания [1]. Еще восточные целители задолго до Гиппократа считали неправильное дыхание причиной многих патологических изменений организма человека [2].
     В связи с этим, важное место в медицине занимает оценка функций внешнего дыхания с целью контроля процесса газообмена между организмом и окружающей средой. Основными звеньями этого процесса являются легочная вентиляция, обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью, транспорт газов кровью, обмен газов в тканях, клеточное дыхание. При этом безопасность и эффективность лечения больных в большой мере зависит от полноты динамической информации, которой располагает лечащий врач. Одним из важных источников такой информации нужно считать изменение концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе [3].
     Углекислый газ (СО2), углекислота и ее соединения играют очень важную роль в жизнедеятельности организма. Углекислота участвует в распределение ионов натрия в тканях, регулируя тем самым возбудимость нервных клеток, влияет на проницаемость клеточных мембран, активность многих ферментов, интенсивность продукции гормонов и степень их физиологической эффективности, процесс связывания белками ионов кальция и железа.
     Существует прямая зависимость между концентрацией углекислоты в крови и интенсивностью функционирования пищеварительных желез

6

  (слюнных, поджелудочной, печени), а также желез слизистой желудка, образующих соляную кислоту [4].
   От содержания в крови углекислоты зависит поступление в ткани кислорода. Наконец, углекислота играет важную роль в постоянстве кислотно-щелочного равновесия, в биосинтезе белка и карбоксилировании аминокислот. Этот перечень можно продолжать, но даже изложенного вполне достаточно, чтобы не считать углекислоту простым "шлаком", который необходимо как можно быстрее вывести из организма [5].
   Углекислый газ СО₂ постоянно образуется в клетках организма. Процесс его удаления из организма через лёгкие строго регулируется дыхательным центром - отделом головного мозга, управляющим внешним дыханием. У здоровых людей в каждый момент времени уровень вентиляции лёгких (частота и глубина дыхания) таков, что СО₂ удаляется из организма ровно в таком количестве, чтобы его всегда оставалось в артериальной крови не менее 4,7%. По настоящему здоровый (в физиологическом смысле) организм не допускает снижения содержания СО₂ менее этой цифры и повышения более 6,0% [6].
   Для поддержания жизненно необходимой концентрации углекислого газа в легких в процессе эволюции выработались несколько механизмов защиты:
   •    спазм бронхов и сосудов
   •    увеличение образования холестерина в печени, уплотняющего клеточные мембраны в легких и сосудах,
   •    снижение артериального давления, уменьшающее выведение из организма углекислого газа [5].
   Но, как это часто бывает, защита оборачивается поражением. Спазмы бронхов и сосудов уменьшают приток кислорода к клеткам мозга, сердца, почек и других органов. Изменение концентрации

7