Ученики ФМШ стали участниками пилотного исследования чувствительности организма к частоте легочного дыхания
Учащиеся 11 класса СУНЦ НГУ Валерия Карпекина и Леон Козеев приняли участие в работе по изучению чувствительности организма человека к частоте легочного дыхания. Цикл биомедицинских исследований в этой области проводится в Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) с использованием тепловизионного и другого современного научного оборудования. Результаты своей работы физматшкольники представили на школьной секции МНСК-2024 по биологическому направлению. Их доклад был удостоен диплома 2-й степени.
Исследование проводилось под научным руководством ведущего научного сотрудника ИФП СО РАН, профессора СУНЦ НГУ, д. ф.-м. н. Бориса Григорьевича Вайнера в рамках его спецкурса «Современное тепловидение».
Частота дыхания – физиологический параметр организма, способный изменяться в широких пределах и служащий одним из информативных дифференциаторов кардиореспираторных и ряда других заболеваний человека. Недавно в ИФП СО РАН было показано, что синхронный мониторинг одновременно нескольких (порядка 10) параметров организма дает возможность получить много полезной информации о человеке, и такой биомедицинский подход успешно развивается в лаборатории. Так, около года назад была обнаружена и представлена в научном журнале взаимосвязь скорости распространения пульсовой волны в лучевой артерии с фазой дыхания.
Целью исследования, которое проводили школьники, было изучение влияния на организм человека внешней нагрузки, реализуемой путем строго регулярного дыхания под управлением метронома. В качестве испытуемых выступали ученики ФМШ и студенты НГУ. Поучаствовав в проекте, они заодно получали возможность ознакомиться с современным исследовательским инструментарием и узнать, как меняется состояние их собственного организма при внешних воздействиях.
Контроль биофизических параметров осуществлялся с применением разного рода измерительной аппаратуры. С помощью миниатюрного электрокардиографа определяли частоту сердечных сокращений, с помощью тепловизора – температуру пальцев рук и ног, то есть частей тела с наиболее удаленными от сердца участками кровеносной системы. Тепловизор TKBр-ИФП/СВИТ с охлаждаемым матричным детектором применялся также для измерения частоты и профиля дыхания. Для этого перед внешними дыхательными отверстиями испытуемого помещали тонкий бинт. Поскольку температура и влажность в легких значительно выше, чем в окружающей среде, при выходе наружу пар конденсировался на бинте с выделением теплоты фазового перехода. При вдохе молекулы испаряющейся влаги попадали обратно в легкие. Динамика дыхания определялась по перепаду температуры от вдоха к выдоху. Такой оригинальный метод исследования был разработан и опубликован в одном из ведущих европейских научных журналов научным руководителем ребят. Скорость пульсовой волны также измерялась оригинальным способом, разработанным в этой лаборатории.
Известно, что упругая пульсовая волна бежит по артериям в несколько раз быстрее, чем кровь. Для измерения ее скорости в лучевой артерии Валерия Карпекина применяла следующую технологию. Испытуемому помещали на предплечье два датчика: один – в зону локтевого сгиба, другой – в область запястья. Деление длины предплечья на интервал времени между последовательными сигналами датчиков давало искомое значение скорости. Целью было обнаружить ее чувствительность к вышеупомянутому воздействию на организм. Частота дыхания, заданная метрономом, варьировалась от 6 до 60 циклов в минуту.
Для автоматизации работы метронома Леон Козеев разработал на языке Python модуль, генерирующий требуемые звуковые сигналы с варьируемыми параметрами, который встроил в действующую программу управления экспериментом. Это существенно облегчило работу ученых, повысило надежность и воспроизводимость результатов, полученных с использованием метронома.
В результате проведенных исследований у практически здоровых испытуемых был обнаружен и проанализирован выраженный системный отклик организма в ответ на внешнее воздействие. Были найдены интересные корреляции одних физиологических показателей с другими, которые ребята представили в своем докладе.
– Меня заинтересовали изучение влияния стрессорного воздействия на организм сверстников и инициатива Бориса Григорьевича повысить точность измерений посредством автоматизации метронома. В первую очередь, новым для меня стал сам метод синхронного измерения биофизических данных, позволивший впоследствии пронаблюдать качественные изменения со временем физиологических параметров, – поделилась Валерия Карпекина.
Исследование, в котором приняли участие Валерия и Леон, является пилотным для научного сообщества. Поэтому полученные в нем новые результаты нуждаются в дальнейшем изучении и проверке на большей выборке испытуемых.
Описанные исследования смогут продолжить и другие учащиеся СУНЦ НГУ уже в новом учебном году в рамках спецкурса Бориса Григорьевича Вайнера «Современное тепловидение».
Фото: Михаил Панов
