Индивидуально-типологический подход в анализе функционального состояния организма студентов-медиков

Введение

В последние десятилетие многочисленными научными исследованиями регистрируется прогрессирующее ухудшение состояния здоровья студенческой молодежи, что приобретает особую актуальность в контексте медицинского образования, где учебный процесс характеризуется определенной спецификой [1-7]. Так, высокие академические нагрузки, психоэмоциональное напряжение, обусловленное прямым взаимодействием студентов с пациентами, различными клиническими ситуациями, приводят к значительному напряжению функциональных систем организма обучающихся, ухудшению их здоровья и, соответственно, к снижению качества профессиональной подготовки [1-7].

Сохранение здоровья студенческой молодежи возможно путем раннего выявления начальных признаков напряжения регуляторных систем организма и своевременной их коррекции. В современном научном контексте высокоинформативным и неинвазивным методом количественной оценки степени напряжения регуляторных систем выступает анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР), который находит свою активную интеграцию в многочисленные сферы медицины и прикладной физиологии. Однако бóльшая часть российских исследователей в своих научных работах не учитывают индивидуально-типологические особенности регуляторных систем, о которых можно судить по данным анализа ВСР. Теоретической основой данного методологического подхода является 2-контурная модель регуляции ритма сердца, предложенная Баевским Р. М., в рамках которой система регуляции синусового узла может быть представлена как 2 взаимодействующих контура: центрального и автономного [8]. Исследования подтверждают, что автономный контур играет критическую роль в формировании дыхательной модуляции сердечного ритма, где рабочими структурами (парасимпатической регуляции) выступают синусовый узел, блуждающие нервы и ассоциированные с ними ядра в продолговатом мозгу [8][9]. Центральный контур участвует в обеспечении недыхательной модуляции сердечного ритма и представляет собой сложно организованную многоуровневую нейрогуморальную структуру, включающую в себя разнообразные компоненты от подкорковых областей продолговатого мозга до гипоталамо-гипофизарного комплекса и коры головного мозга [8][9].

Основываясь на концепции 2-контурной модели регуляции сердечного ритма, Шлык Н. И. выделила 4 типа вегетативной регуляции: с умеренным (I тип) и выраженным (II тип) преобладанием центрального контура и умеренным (III тип) и выраженным (IV тип) преобладанием автономного контура управления сердечного ритма. Этот подход акцентирует внимание не столько на отдельных отделах вегетативной нервной системы, таких как симпатический и парасимпатический, сколько на центральных и автономных контурах вегетативного управления физиологическими функциями, что подчеркивает интегративное участие различных компонентов в едином регуляторном механизме и представляет собой системный подход к изучению сложного механизма регуляции физиологических функций [10].

Инновационная методология анализа ВСР с учетом индивидуально-типологических характеристик регуляторных систем, предложенная Шлык Н. И. (2009), прошла верификацию своей эффективности при диагностике функционального состояния спортсменов и представлена в многочисленных научных публикациях [11-16]. Однако исследования, направленные на выявление особенностей функционального состояния студентов в контексте дифференцированных типов вегетативной регуляции, в научной литературе представлены лишь спорадически [14-16]. По-прежнему актуальными и недостаточно изученными остаются аспекты, связанные с влиянием индивидуально-типологических характеристик регуляторных систем на функциональное состояние центральной нервной системы (ЦНС) и когнитивные процессы студентов.

В связи с этим целью настоящего исследования стало научное обоснование индивидуально-типологического подхода в анализе функционального состояния организма студентов-медиков.

Материал и методы

В рамках данного исследования приняли участие 214 студентов (120 девушек и 94 юноши) старших курсов медицинского университета в возрасте от 21 до 23 лет. Критерии отбора студентов в исследование включали следующие параметры: принадлежность к I-II группе здоровья, наличие добровольного письменного согласия на участие в обследовании, а также отсутствие острой патологии на момент начала исследования и в предшествующие две недели. Схема формирования выборки представлена на рисунке 1. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО ОрГМУ Минздрава России (протокол № 46 от 10.09.2021). Расчет размера выборки предварительно не проводился.

Исследование выполнено в несколько этапов. На первом этапе у всех исследуемых студентов проведена оценка вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы на аппаратно-программном комплексе "Здоровье-Экспресс", методом вариационной пульсометрии, основанной на регистрации временных интервалов R-R зубцов электрокардиограммы (ЭКГ), построении кардиоритмограммы и анализе полученных данных математическими методами с определением статистических параметров: частоты сердечных сокращений, амплитуды моды, вариационного размаха (_ΔX), стандартного отклонения SD величин нормальных интервалов R-R (NN) (SDNN), квадратного корня из средней суммы квадратов разностей между соседними NN интервалами величин последовательных пар интервалов (RMSSD), числа пар кардиоинтервалов с разностью >50 мс в % к общему числу кардиоинтервалов в массиве (pNN50) и стресс-индекса (SI); а также спектральных характеристик ВСР: общая мощность спектра (TP) ВСР, мощность волн высоких (HF), низких (LF), очень низких (VLF) и ультранизких (ULF) частот, процентное соотношение мощности спектра низкочастотного и высокочастотного компонентов вариабельности от общей мощности колебаний (LF и HF, соответственно), на основе которых рассчитаны: индексы централизации (IC) и вагосимпатического взаимодействия (LF/HF) [8]. Диагностическая процедура проводилась утром в период учебной деятельности, не ранее, чем через 2 ч после приема пищи и физической активности. Перед началом исследования студенты находились в покое в положении лежа с приподнятым изголовьем в течение 5-10 мин. В процессе диагностики были исключены все возможные внешние раздражители, способные провоцировать эмоциональные реакции, такие как разговоры или телефонные вызовы. Запись регистрировалась в течение 3 мин.

На втором этапе выполнено определение типа вегетативной регуляции студентов по методике Шлык Н. И. [10], согласно которой умеренному преобладанию центральной регуляции (I тип) соответствовали значения SI>100 ед., VLF>240 мс²; выраженному преобладанию центральной регуляции (II тип) — SI>100 ед., VLF<240 мс²; умеренному преобладанию автономной регуляции (III тип) — SI от 30 до 100 ед., VLF>240 мс²; выраженному преобладанию автономной регуляции (IV тип) — SI до 30 ед., VLF>240 мс², ТР>8000 мс². В соответствии с типами вегетативной регуляции сердечного ритма сформированы 4 группы наблюдения: студенты с умеренным (I группа, 28 девушек и 14 юношей) и выраженным (II группа, 41 девушка и 33 юноши) преобладанием центральной регуляции, с умеренным (III группа, 31 девушка и 29 юношей) и выраженным (IV группа, 20 девушек и 16 юношей) преобладанием автономной регуляции. В процессе набора групп наблюдения были исключены студенты, показатели ВСР которых не соответствовали ни одному из типов регуляции.

На третьем этапе у студентов 4-х групп проведен сравнительный анализ показателей ВСР, функционального состояния миокарда и ЦНС. Скрининговая оценка функционального состояния миокарда студентов выполнена методом дисперсионного картирования ЭКГ, с использованием программного обеспечения "Кардиовизор"¹ [17-19]. Метод основан на компьютерном формировании карты электрических микроальтернаций ЭКГ-сигнала, отнесенных к определенным камерам сердца (два предсердия, два желудочка). Эта карта получается в результате расчета электрических напряжений между близко расположенными поверхностными точками с использованием в процессе этих расчетов оригинальной модели биоэлектрического генератора сердца, учитывающей электромагнитное излучение миокарда. Прибор регистрирует ЭКГ-сигнал, анализирует низкоамплитудные апериодические осцилляции, которые интегрально отражают электрофизиологическое состояние миллионов кардиомиоцитов.

Числовые значения дисперсионных характеристик состояния миокарда представлены интегральным индексом "Миокард" и индексами "Ритм", Т-альтернация, электрической нестабильностью миокарда и 9-ю показателями кода "Детализации" (G1-G9). Индекс "Миокард", отражающий отклонения дисперсионных характеристик низкоамплитудных микроальтернаций ЭКГ от нормы, и индекс нарушений ритма сердца изменялись в диапазоне от 0 до 100%, где значение 0-14% соответствовало норме, 15-18% (15-50% для индекса "Ритм") — пограничным изменениям, а >19% (>51% для индекса "Ритм") считалось значимым отклонением. Индекс Т-альтернация, отражающий изменение формы, полярности или амплитуды зубца Т в нескольких, следующих друг за другом, кардиоциклах, оценивался согласно 3-уровневой шкале, где значение 0-12 мкВ соответствовало норме, 12-20 мкВ — пограничным изменениям, ≥21 мкВ — значимым отклонениям. Индикатор электрической нестабильности миокарда, как показатель электрической неустойчивости колебательного электрохимического механизма миокарда, выражен в 3-уровневой шкале, где 1 ед. соответствовала норме, 2 ед. или 4 ед. — пограничным изменениям, 3 ед. или 5 ед. — значимым отклонениям.

Показатели G1-G9 характеризуют изменения по различным сегментам сердца, а также по интервалам деполяризации и реполяризации: индексы G1 и G2 представляют области дисперсионных отклонений ЭКГ-сигнала при завершении процесса деполяризации миокарда правого (G1) и левого (G2) предсердия; G3 и G4 соответствуют финальной фазе комплекса QRS, окончанию деполяризации правого (G3) и левого (G4) желудочков; G5 и G6 описывают реполяризацию правого (G5) и левого (G6) желудочков; G7 соответствует средней части комплекса QRS в пике электрического возбуждения миокарда желудочков; G8 — показатель нарушения внутрижелудочкового проведения; индекс G9 отражает процессы в начале QRS-комплекса. Индексы детализации G1-G9 являются ранговыми: чем больше величина, тем значительнее отклонение от нормы.

Оценка функционального состояния ЦНС проведена методом вариационной хронорефлексометрии с помощью программного обеспечения "Способ диагностики работоспособности человека". В основе метода лежит регистрация латентных периодов простой зрительно-моторной реакции, где испытуемый при предъявлении зрительных раздражителей на экране монитора должен нажимать на соответствующие клавиши клавиатуры пальцами обеих рук одновременно. На основе анализа временных показателей зрительно-моторных реакций, отражающих основные свойства нервной системы, проводился автоматический расчет функциональных показателей: функционального уровня нервной системы, устойчивости реакции и уровня функциональных возможностей нервной системы с определением умственной работоспособности².

Статистический анализ был выполнен с применением программного обеспечения StatTech v. 3.1.8 (ООО "Статтех", Россия). Проверка выборки на нормальность распределения с помощью критерия Колмогорова-Смирнова показала несоответствие количественных показателей закону нормального распределения, что послужило основанием для использования непараметрических методов статистического анализа. Количественные показатели представлены с помощью медианы (Me) и интерквартильного размаха (Q25-Q75), категориальные указаны в процентах. Для сравнения ≥3 групп по количественным данным использовался критерий Краскела-Уоллиса, для апостериорных сравнений критерий Данна с поправкой Холма. Сравнение процентных долей при анализе многопольных таблиц сопряженности выполнялось с помощью критерия χ² Пирсона.

Результаты

Показано, что число студентов с умеренным преобладанием автономного контура вегетативной регуляции, которое можно рассматривать как состояние физиологической нормы, отражающее высокие адаптационные возможности, не превышало 28,5%, тогда как у преобладающей части обучающихся регистрировалось напряжение регуляторных систем различной степени, о чем свидетельствовало выраженное преобладание автономного контура управления у 16,9% обследуемых, умеренное и выраженное преобладание центральной регуляции у 19,7 и 39,4% студентов, соответственно.

Установлено, что у студентов III группы с умеренным преобладанием автономного контура в сравнении с данными студентов I и II групп с преобладанием центрального контура вегетативной регуляции выявлено увеличение временных показателей парасимпатической нервной системы _ΔX на 31,2-43,4% (p<0,05), SDNN на 31,3-50,0% (p<0,05), RMSSD на 46,6-48,8% (p<0,05), pNN50 на 71,1-74,7% (p<0,05), на фоне умеренного снижения SI на 51,2-69,9% (p<0,05) (таблица 1).

Спектральный анализ показателей ВСР позволил установить более высокое значение у студентов III группы относительно данных студентов I и II групп общей мощности спектра (TP) на 48,2-76,1%, ее ультранизкочастотного компонента (ULF) на 45,8-72,9%, высокочастотного компонента (HF) на 70,7-80,2% и низкочастотного компонента (LF) на 54,3-74,8%, а также преобладание абсолютных и относительных значений мощности высокочастотного компонента над низкочастотным, что свидетельствовало об оптимальном балансе между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы и центральными структурами регуляции сердечного ритма (таблица 2).

У студентов II группы относительно данных студентов I, III и IV групп регистрировались минимальные величины временных показателей, отражающих активность парасимпатической нервной системы, _ΔX 164,2 [ 128,7-196,9] мс, SDNN 32,0 [ 28,0-39,0] мс, RMSSD 32,3 [ 23,7-41,6] мс, pNN50 11,3 [ 2,9-21,4]%, при максимальных значениях стресс индекса 201,2 [ 138,6-253,9] ед. и минимальных спектральных показателей TP 887,6 [ 645,9-1256,0] мс², ULF 115,1 [ 52,2-223,3] мс², HF 282,5 [ 167,4-552,7] мс², LF 258,6 [ 166,2-402,9] мс² и особенно VLF 88,9 [ 65,7-149,2] мс², что указывало на выраженное напряжение надсегментарных уровней управления и формирование энергодефицитного состояния у студентов этой группы.

У студентов IV группы в сравнении с данными студентов I-III групп, напротив, на фоне максимальных временных показателей парасимпатической активности — _ΔX 408,0 [ 397,4-439,9] мс, SDNN 102,0 [ 92,0-109,0] мс, RMSSD 101,9 [ 89,8-128,2] мс, pNN50 62,8 [ 58,2-69,4]% и выраженного снижения SI до 24,8 [ 20,0-27,2] ед., установлено резкое повышение суммарной мощности спектра TP до 11060,8 [ 8628,4-15362,4] мс² за счет увеличения всех ее составляющих: ULF до 2206,2 [ 628,1-3178,7] мс², HF до 2101,6 [ 1536,2-5167,0] мс², LF до 2220,0 [ 1393,6-4478,6] мс² и VLF до 1513,7 [ 765,1-2439,7] мс², отражающих выраженное утомление, срыв вегетативной регуляции сердечного ритма.

Полученные данные анализа ВСР студентов с различными типами вегетативной регуляции нашли свое отражение в формировании у обследуемых дисперсионных отклонений миокарда (таблица 3). Так, показано, что у студентов II группы с выраженным преобладанием центрального контура регуляции Ме индекса "миокард" была статистически значимо выше данных студентов I (15,3 [ 14,7-15,7]%) и III групп (15,2 [ 12,3-14,8]%) (p<0,05) и составляла 17,0 [ 15,1-17,8]%, что, вероятно, было связано с повышением у студентов этой же группы индекса "Ритм" в 1,8-1,9 раза, альтернации Т зубца в 1,3 раза и индекса электрической нестабильности миокарда в 2 раза относительно данных студентов I и III групп.

При этом число студентов II группы с соответствующими физиологической норме индексами "Миокард" было меньше в 1,6-2,3 раза, "Ритм" в 4,3-5,3 раза, альтернации Т зубца в 1,5 раза, электрической нестабильности миокарда в 3,6-4,1 раза, чем среди студентов I и III группы (таблица 4).

Следует отметить, что у студентов IV группы при сравнении с данными студентов I и III групп установлено незначительное увеличение индексов "Миокард" до 15,5 [ 15,0-15,7]%, "Ритм" до 25,3 [ 18,5-34,5]% и Т-альтернации до 13,0 [ 5,0-15,0] мкВ, которое имело недостоверный характер, однако могло отражать начальные изменения в функциональном состоянии миокарда на фоне выраженного утомления у студентов этой группы.

Анализ функционального состояния ЦНС студентов с различными типами вегетативной регуляции показал увеличение у студентов II группы относительно обследуемых III группы скорости реакции с 0,29 [ 0,28-0,30] до 0,32 [ 0,29-0,34] мс (p<0,05), а также снижение функционального уровня с 2,5 [ 2,5-2,6] до 2,4 [ 2,2-2,5] ед. (p<0,05), устойчивости с 2,0 [ 1,5-2,3] до 0,8 [ 0,6-1,5] ед. (p<0,05) и уровня функциональных возможностей нервной системы с 3,3 [ 2,7-3,5] до 2,0 [ 1,7-2,6] ед. (p<0,05) (таблица 5).

Вероятно, это стало причиной формирования сниженной умственной работоспособности более чем у половины студентов II группы (55,6%), число которых в 2,6 и 7,8 раза превышало количество студентов среди I (21,7%) и III (7,1%) групп (рисунок 2).

Важно отметить, что у студентов IV группы с выраженным преобладанием автономного контура в сравнении со студентами III группы с умеренным преобладанием автономного контура вегетативной регуляции определено снижение устойчивости нервной системы в 1,7 раза и уровня ее функциональных возможностей в 1,3 раза, в связи с чем лишь 15,4% студентов IV группы имели нормальную умственную работоспособность, при данных 57,1% среди студентов III группы.

При оценке уровня биологической адаптации организма студентов установлено, что в III группе регистрировалось максимальное число обследуемых с удовлетворительной адаптацией (33,3%), при данных 9,2% среди студентов II группы и отсутствии таких студентов в IV группе (рисунок 3). Причем число студентов III группы с неудовлетворительной адаптацией составляло лишь 7,4%, в то время как каждый третий обследуемый II группы (35,2%) и более половины студентов IV группы (58,8%) имели неудовлетворительную адаптацию.

Обсуждение

Анализ ВСР детей и подростков показал, что индивидуально-типологические особенности вегетативной регуляции сердечного ритма играют ключевую роль в функционировании сердечно-сосудистой системы [8-13]. Полученные в настоящей работе результаты подтверждают данные отечественных научных исследований, в которых показано, что дети и подростки с центральным типом регуляции для обеспечения оптимального функционирования сердечно-сосудистой системы затрачивает больше усилий, чем их сверстники с автономным типом регуляции [10]. У исследуемых с выраженной централизацией вегетативной регуляции сердечного ритма (II тип) значительно снижены функциональные и адаптационные резервы организма, имеются различные дизрегуляторные проявления [10-16]. У исследуемых с IV типом регуляции наблюдается высокая ВСР вследствие выраженного доминирования парасимпатического воздействия и слабой активности симпатической регуляции, что свидетельствует о дефиците центрального контроля и вегетативных нарушениях [10-16]. В то же время III тип, при котором наблюдается умеренное преобладание автономной регуляции, по данным различных авторов, считается физиологической нормой и характеризуется высокими функциональными и адаптационными возможностями по сравнению с другими типами вегетативной регуляции [10-16].

Несмотря на потенциальный научный интерес и значимость метода Шлык Н. И., его применение в зарубежных исследованиях, по всей видимости, ограничено. Поиск зарубежных источников, использующих подходы Шлык Н. И. для анализа ВСР не принёс результатов. Однако зарубежными исследователями были получены схожие результаты, свидетельствующие о том, что симпатическая гиперактивация связана с ухудшением когнитивных функций, низкой работоспособностью, и, наоборот, в условиях парасимпатической активности увеличивалась ВСР с улучшением когнитивных функций у здоровых людей [20][21]. Доказана роль вегетативной регуляции в инициировании и прогрессировании патологических состояний сердца — сверхнизкая и очень низкочастотная мощность ВСР тесно связана сердечными аритмиями, с высоким риском внезапной сердечной смерти [22-24].

В зарубежных исследованиях активно применяются нелинейные методы анализа ВСР, которые включают фрактальные измерения, Poincaré-плоты (графики, отображающие взаимосвязь между последовательными RR-интервалами), энтропию, масштабирование спектра Фурье на 1/f и другие [23-27]. Несмотря на то, что нелинейные методы показали себя мощными средствами исследования, с их помощью не удалось получить крупных достижений при обработке медицинских данных, в т.ч. при анализе ВСР. Использование нелинейных методов ограничено их сложностью, отсутствием унифицированных стандартов и специализированного программного обеспечения, необходимостью проведения более длительных записей ВСР [24-29], что непрактично во многих клинических и исследовательских условиях, в связи с чем нами применялись линейные методы анализа ВСР.

Полученные нами данные акцентируют внимание на необходимости отнесения студентов с выраженным доминированием автономной и центральной регуляции сердечного ритма к "группе риска", и обуславливают необходимость разработки персонифицированных рекомендаций, направленных на коррекцию функциональных отклонений и оптимизацию учебного процесса, с учетом индивидуально-типологических особенностей студентов, что может быть достигнуто через:

1. Диагностику и мониторинг: оценка вегетативной регуляции с использованием анализа ВСР студентов, что позволит выявлять студентов "группы риска" с выраженным доминированием автономной и центральной регуляции сердечного ритма, а также регистрировать состояние регуляторных систем обучающихся в динамике учебного процесса.
2. Оптимизацию учебного процесса:
   • Информирование преподавателей об особенностях функционального состояния студентов "группы риска" и необходимости индивидуального подхода в образовательном процессе. Разработка информационных материалов, проведение лекций для всего профессорско-преподавательского состава с целью повышения осведомленности о важности индивидуального подхода к обучению и внимания к физиологическим и психологическим аспектам здоровья студентов.
   • Использование различных образовательных подходов, таких как интерактивные методы обучения — групповые дискуссии, ролевые игры, кейс-методы, интерактивные лекции и другие, которые по сравнению с традиционным обучением позволяют создать благоприятную психологическую атмосферу на занятиях за счет снижения психоэмоционального напряжения, дружественного взаимодействия обучающихся с преподавателем и друг с другом, и могут быть более эффективны для студентов с различными типами вегетативной регуляции.
   • Включение в учебный процесс занятий по управлению стрессом и эмоциональному самоконтролю, чтобы помочь студентам "группы риска" справляться с высоким уровнем нагрузки в медицинской сфере.
   • Учет индивидуальных особенностей студентов "группы риска" при общении с ними, особенно в стрессовых ситуациях, таких как экзамены и зачеты.
   • Организация спортивных занятий, таких как плавание или легкая атлетика, для улучшения физического здоровья и снижения стресса студентов "группы риска".

В соответствии с представленными данными о новом методе оценки типов вегетативной регуляции на основе анализа ВСР, следует обозначить потенциальные ограничения настоящего исследования: 1) специфичность исходной выборки, которая охватывала лишь определенную возрастную группу студентов медицинского университета, что не позволяет экстраполировать полученные данные на более широкую студенческую популяцию, представленную различными возрастными категориями и учебными заведениями. 2) применение методов оценки вегетативной регуляции ритма сердца, развиваемых только российскими учеными, что не позволяет сопоставить результаты с аналогичными исследованиями, проведенными зарубежными учеными, использующими другие методы анализа ВСР.

Заключение

Результаты исследования позволили научно обосновать индивидуально-типологический подход в анализе функционального состояния организма студентов-медиков и разработать персонифицированные рекомендации, направленные на коррекцию функциональных отклонений и оптимизацию учебного процесса, с учетом индивидуально-типологических особенностей студентов.

Отношения и деятельность: все авторы заявляют об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.