Введение к работе
Актуальность проблемы. Декомпрессионная болезнь (ДБ) является одной из актуальных проблем авиакосмической и морской медицины.
В свете современных представлений о этиологии этого заболевания методы его диагностики, профилактики и лечения должны учитывать специфику процессов образования и роста газовых пузырьков в крови и тканях организма и их корреляцию с характером и тяжестью декомпрессионных нарушений. Однако, несмотря на интенсивные исследования, проводимые в этом направлении как в нашей стране (Сапов И.А. и соавт., 1975; Анисимов О.И., 1988; Королев А.Б., 1989; Волков Л.К., Ляпии В.М., 1991; Чадов В.И., Черняков И.Н. и соавт., 1986; Исеев Л.Р. и соавт., 1988; Катунцев В.П. и соавт., 1994; Chadov et al., 1995), так и за рубежом ( Gardette, 1979; Bayne et al., 1985; Olson et al., 1988; Waligora et al., 1987, 1991; Powell, 1991, 1992; Webb et al., 1993; Kumar et al., 1993 и др.), многие аспекты данной проблемы до сих пор остаются недостаточно изученными в виду неполной ясности отдельных сторон этиологии и патогенеза ДБ.
Весьма актуальным и крайне слабо разработанным представляется вопрос об обосновании критериев объективной диагностики ДБ у человека и методах ее прогнозирования. Чтобы предотвратить развитие наиболее опасного при воздействии декомпрессии аэроэмболического синдрома (Парин В.В., 1941; Fulton, 1951; Adler, 1964; Граменицкий П.М., 1967; Fryer, 1969; Богословов Г.В., 1972; Bove et al., 1974; Butler, 1992 и др.), необходимо четко знать его начальные (доклинические) проявления и уметь предвидеть и быстро предотвращать возникновение угрожающих состояний. Однако принципы и методы оперативного прогнозирования таких состояний все еще находятся в стадии начальной разработки.
Особого внимания и углубленного изучения требует вопрос о локализации газовых пузырьков, вызывающих самый частым симптом ДБ - боли в конечностях. К настоящему времени не до конца остается выясненным вопрос о судьбе декомпрессионных газовых пузырьков, поступающих с током крови из венозной системы в легочные сосуды (Emerson et al., 1967; Граменицкий П.М., 1974; Verstappen et al., 1977; Butler, Hills, 1985). В частности, спорным является вопрос о путях их проникновения из венозной системы в артериальное русло
большого круга кровообращения. Не определены и основные условия нарушения функции малого круга кровообращения как барьера внутрисосудистых газовых пузырьков. Раскрытие этих механизмов представляется важным не только для расширения существующих представлений о механизмах развития де-компрессионной газовой эмболии легких, но и для разработки рекомендаций по предупреждению тяжелых осложнений ДБ.
Серьезного физиологического обоснования заслуживают вопросы деком-прессионной безопасности пилотируемых космических полетов. Увеличение продолжительности космических экспедиций и перспективы более широкого их распространения (Grigoriev et al., 1992) повышают значимость положительных сторон используемой в кабинах космических летательных аппаратов нор-мобарической азотно-кислородной атмосферы. Однако это обстоятельство требует и более внимательного отношения к ее недостаткам, так как операции выхода из космического корабля и работа человека в открытом космосе в наши дни уже превратились из редких эпизодов в широко распространенную деятельность космических экипажей (Severin, 1994). В связи с этим возникает настоятельная необходимость в разработке и применении надежных мер обеспечения декомпрессионной безопасности работы космонавта в открытом космосе при соблюдении максимальных удобств, включая высокую подвижность всех сочленений скафандра. Последнее достигается тем проще, чем ниже давление внутри скафандра. Однако низкое давлеіше в скафандре в сочетании с высокой физической активностью, как известно, чревато реальной возможностью возникновения высотной ДБ (Henry, 1956; Кузнецов А.Г. и соавт., 1970; Барер А.С., Филипенков С.Н., 1987; Газенко О.Г. и соавт., 1988; Черняков И.Н., 1994; Van Liew et al., 1994; Barer, 1995).
Экспериментальные исследования показывают, что у человека при декомпрессии от наземного давления до уровня 40-29,7 кПа при выполнении физической работы, имитирующей по специфике рабочих движений и величине энерготрат внекорабелыгую деятельность (ВКД) космонавтов, частота возникновения ДБ может составлять более 10-20% (Вакар М.И. и соавт., 1985; Horrigan et al., 1989; Waligora et al., 1991). Однако все проведенные к настоящему времени 149 человеко-выходов в открытый космос в российских скафандрах с давлением 40 кПа завершились благополучным исходом. Американские астронавты, выполнявшие ВКД в скафандрах с давлением 29,7 кПа при полетах
на кораблях "Спейс Шаттл", также не сообщали о возникновении у них симптомов ДБ (Мс Barron II, 1994). Таким образом, практика пилотируемой космонавтики свидетельствует о том, что в условиях реальной ВКД риск возникновения ДБ значительно ниже, чем при ее наземной имитации.
Для объяснения этих различий и обоснования критериев декомпрессион-ной безопасности режимов перехода человека к пониженному давлению необходимо предпринять специальное исследование, направленное на систематизацию и критический анализ имеющихся в литературе сведений и экспериментально полученных данных, касающихся особенностей проявлений и механизмов развития высотной ДБ, основных факторов ее риска и возможного влияния условий микрогравитации на интенсивность образования в тканях газовых пузырьков и скорость элиминации из организма инертного газа (азота).
При необходимости проводить продолжительные работы в открытом космосе в качестве возможных мер профилактики высотной ДБ в литературе обсуждаются также различные варианты гипобарнческих газовых сред для кабин космических кораблей (Генин A.M., Черняков И.Н. и соавт., 1972, 1973, 1975; Граменицкий П.М., 1974; Малкин В.Б., 1994; Chadov et al., 1996). Однако в процессе обоснования безопасности их использования требуется провести строгую оценку степени риска возникновения ДБ при различных комбинациях давления и состава газовой среды в кабине корабля и рабочего давления в скафандре.
Цель исследования. Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование методов диагностики, патогенеза и путей профилактики у человека высотной ДБ.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
анализ клинических проявлений и основных факторов риска ДБ при различных условиях перехода человека к пониженному давлению;
оценка риска возникновения ДБ у человека в условиях антиортостаза как модели микрогравитации;
изучение физиологических эффектов "немых" газовых пузырьков;
анализ взаимосвязи между появлением в кровотоке детектируемых ультразвуковой аппаратурой газовых пузырьков и возникновением симптомов высотной ДБ;
определение условий нарушения функции малого круга кровообращения как барьера внутрисосудистых газовых пузырьков;
обоснование научных подходов к профилактике и тактике лечения ДБ у космонавтов при выполнении ВКД.
Научная новизна. На большом материале экспериментальных исследований в барокамере обосновано представление о том, что риск возникновения ДБ при имитированной и реальной ВКД определяется спецификой процессов образования, роста и миграции газовых пузырьков в организме в зависимости от параметров декомпрессии, состава газовой среды, двигательной активности и уровня индивидуальной предрасположенности человека к воздействию декомпрессии, а также от эргономических характеристик индивидуального снаряжения.
Установлено, что имитация условий ВКД космонавтов в антиортостати-ческом положении обследуемых лиц, как модели мнкрогравитации, уменьшает риск возникновения высотной ДБ, что выражается снижением частоты развития ее клинических проявлений, а также частоты и интенсивности поступления в венозное русло газовых пузырьков. Показано, что сокращение интервала отдыха между первичной и повторной имитацией ВКД с 3-7 до 1 суток не приводит к повышению риска возникновения высотной ДБ. Экспериментально установлено, что повышение парциального давления углекислоты в искусственной среде обитания до предельно допустимого уровня 4 кПа в течение 2 ч при последующем переходе к давлению 44-35 кПа увеличивает частоту возникновения высотной ДБ примерно в 2 раза.
Обоснована концепция о внесосудистоп локализации образующихся в организме при декомпрессии газовых пузырьков, вызывающих высотные де-компрессионные боли в конечностях, что имеет принципиальное значение для правильного понимания сущности этих проявлений ДБ, прогнозирования характера возможных осложнений и обоснования комплекса лечебно-профилактических мероприятий.
Впервые проведено изучение параметров центральной гемодинамики у человека в условиях воздействия на организм высотной декомпрессии с использованием методики длительной имплантации катетеров. В итоге этих уникальных исследований установлены важные, ранее неизвестные закономерности изменения давления в легочной артерии и центрального венозного давле-
ния при различной интенсивности поступления в малый круг кровообращения "немых" газовых пузырьков.
Проведена экспериментальная оценка информативности метода мониторинга газовых пузырьков, поступающих в регионарный венозный кровоток и легочную артерию при воздействии на организм высотной декомпрессии, для диагностики и прогноза возникновения болевых симптомов в конечностях и респираторных проявлений ДБ. Получена статистически значимая зависимость между частотой и интенсивностью поступления в сосудистое русло газовых пузырьков и развитием у человека симптомов высотной ДБ. Разработаны критерии ранней объективной диагностики высотной ДБ.
При использовании серийной и специально разработанной ультразвуковой аппаратуры допплеровского и эхографического типа в опытах на наркотизированных животных впервые зарегистрировано поступление венозных газовых пузырьков через легкие в артериальное русло большого круга кровообращения и установлена ведущая роль легочной пшертензии в генезе нарушения барьерной функции малого круга кровообращения.
Разработан новый вариант классификации высотной ДБ, учитывающий характер и тяжесть декомпрессионных нарушений, а также потенциальную патогенетическую роль присутствия в организме "немых" газовых пузырьков. Па основании полученных данных уточнены представления о патогенезе высотной ДБ как комплексной неспецифической реакции организма, закономерно развивающейся в ответ на появление в крови и тканях чужеродного агента - газовых пузырьков. Разработана оригинальная модель общей схемы патогенеза высотной ДБ и основных патогенетических звеньев ее легочных проявлений. Дан сравнительный анализ путей и способов профилактики высотной ДБ у космонавтов при выполнении ВКД с учетом уровня давления в скафандре, параметров газовой атмосферы космического корабля и индивидуальной предрасположенности человека к развитию декомпрессионных нарушений.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований переносимости человеком высотной декомпрессии могут быть использованы в качестве теоретической основы в практике медицинского обеспечения высотных и космических полетов для прогноза состояния здоровья экипажа при воздействии на организм пониженного давления атмосферы кабины летательного аппарата и давления в скафандре при выполнении ВКД, а также при
совершенствовании имеющихся и разработке новых, перспективных средств и методов обеспечения декомпрессионной безопасности условий профессиональной деятельности летчиков и космонавтов.
Практическая значимость работы определяется ее конкретным вкладом в систему медицинского обеспечения ВКД космонавтов, а также в методы обеспечения безопасности исследований и испытаний, проводимых с участием человека в высотных барокамерах. Полученные в работе результаты позволили специалистам ГНЦ РФ-ИМБП и АО НЛП "Звезда" подготовить и внедрить в практику пилотируемой космонавтики новую редакцию Инструкции по оказанию неотложной помощи космонавтам в части, касающейся лечения высотной ДБ в условіїях космического полета. На основе результатов экспериментальных исследований подготовлены практические рекомендации "Методы объективного контроля за состоянием человека во время декомпрессии", которые внедрены в практику работы Института биофизики МЗ СССР и в/ч 64688. Результаты проведенных исследований позволили также разработать и внедрить в практику исследований Центра подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина "Инструкцию по оценке индивидуальной устойчивости организма человека к декомпрессионной болезни". Полученные в работе материалы лспользозаны при разработке Требований обеспечения условий жизнедеятельности космонавта при внекорабельной деятельности Государственного стандарта РФ "Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате" (ГОСТ Р 50804-95).
В процессе выполнения диссертационной работы подготовлены Предложения по оценке и прогнозированию декомпрессионной безопасности условий ВКД космонавтов, а также Предложения по методам оценки риска возникновения ДБ. Установлено, что величина коэффициента перенасыщения организма азотом (или любым другим инертным компонентом дыхательной смеси) не является однозначным критерием степени безопасности высотной декомпрессии и степени риска возникновения высотной ДБ. Во-первых, величина безопасного коэффициента перенасыщения организма азотом уменьшается по мере снижения уровіи конечного давления. Во-вторых, при одном и том же значении этого показателя риск возникновения высотной ДБ в значительной степени зависит от характера и интенсивности выполняемой мышечной работы.
Полученные в работе данные о положительном влиянии мышечной работы на степень защитного эффекта кратковременной десатурации организма от азота следует учитывать при подготовке космонавтов к выполнению ВКД по принятому в нашей стране протоколу. Для поддержания исходного уровня де-компрессионной безопасности ВКД целесообразно не допускать повышения в атмосфере скафандра концентрации углекислого газа, поскольку, как свидетельствую^ результаты настоящего исследования, в этих условиях у человека возрастает опасность возникновения высотной ДБ.
Продемонстрированное в работе нарушение функции легких как барьера венозных газовых пузырьков при увеличении давлення в легочной артерии необходимо учитывать при нормировании пнкозых мощностей физических нагрузок и обосновании режима труда лиц, подвергаемых воздействию высотной декомпрессии с целью профилактики у них системных азроэмболическнх осложнений.
Применительно к задачам медицинского обеспечения перспективных орбитальных и межпланетных космических экспедиций сформулированы основные методологические подходы для выбора оптимальных мер профилактики ДБ у членов экипажа во время выполнения ВКД.
Материалы диссертации реализованы в лекционном курсе кафедры "Авиакосмической и экстремальной медицины" факультета "Фундаментальной медицины" МГУ им. М.В.Ломоносова и могут быть также использованы в учебных курсах ряда других высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов при подготовке специалистов по авиакосмической медицине.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Снижение количества предсуществующих и вновь рождающихся зародышей газовых пузырьков в крови и тканях организма под действием фактора микрогравитации и создаваемых жесткостью скафандра ограничений двигательной активности приводит к существенному снижению риска возникновения у космонавтов ДБ во время выполнения ВКД по сравнению с риском возникновения ДБ у людей, подвергаемых аналогичному воздействию декомпрессии в наземных условиях без скафандра.
-
Появление симптомов высотной ДБ у человека коррелирует с интенсивностью поступления в регионарный венозный кровоток и малый круг кровообращения газовых пузырьков, детектируемых ультразвуковой допплеров-ской аппаратурой.
-
Величина давления в легочной артерии является одним из главных критериев эффективности функционирования малого круга кровообращения как барьера внутрисосудистых газовых пузырьков. При превышении давления в легочной артерии 40 мм рт. ст. значительно облегчается проникновение детектируемых ультразвуковой аппаратурой "венозных" газовых пузырьков через легкие в артериальное русло большого круга кровообращения, что увеличивает опасность появления тяжелых системных осложнений.
Апробация работы и публикации. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на ГХ, XXV и XXVII Чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского (Калуга, 1974, 1990 и 1992); V, VII и X Всесоюзных конференциях по космической биологии и авиакосмической медицине (Калуга, 1975, 1982, Москва, 1994); XV Съезде всесоюзного физиологического общества имени И.П. Павлова (Кишинев, 1987); I, II и III Всесоюзных конференциях по физиологии экстремальных состояний, гигиене и индивидуальной защите человека (Москва, 1982, 1986, 1990); Всесоюзной научно-практической конференции "Актуальные вопросы патологии дыхания" (Куйбышев, 1988); XVIII Гагаринеких чтениях (Москва, 1988); XXII Совещании постоянно действующей рабочей группы социалистических стран по космической биологии и медицине (Варна /Болгария/, 1989); Международном семинаре по медико-биологическим проблемам внеко-рабельной деятельности космонавтов (Марсель /Франция/, 1990); 1-м Всесоюзном совещании по медико-биологическим проблемам декомпрессии (Москва, 1991); 1-й Международной авиакосмической конференции (Москва, 1992); 1-й Международной научной конференции " Выживание человека: резервные возможности и нетрадиционная медицина" (Москва, 1993); 24-й Международной конференции и 5-м Европейском симпозиуме по космическим системам контроля (Фридрихсхафен /Германия/, 1994); Международном авиакосмическом конгрессе (Москва, 1994); 4-й Международной конференции по космической и подводной медицине Отделения всемирной федерации неврологии
(Форт Лаудердейль /США/, 1994 ), 25-й Международной конференции по космическим системам контроля (Сан Диего /США/, 1995).
По материалам диссертации опубликовано 29 научных работ. Диссертация апробирована на межотдельческой научной конференции ГНЦ РФ-ИМБП.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, исторического обзора (глава 1), изложения методических вопросов исследований и характеристики экспериментального материала (глава 2), восьми глав собственных исследований (главы 3-10), заключения, выводов, практических рекомендаций (внедрений), списка цитируемой литературы и приложения.
Материал изложен на 287 страницах машинописи, иллюстрирован 43 рисунками и 46 таблицами. Список литературы содержит 229 названий на русском и 315 - на иностранных языках. Объем приложения - 10 страниц с таблицами первичных данных, характеризующих состояние кардиореспираторной системы и газозого состава крови экспериментальных животных при искусственной газовой эмболии легких и воздействии на организм декомпрессии.