Функциональная диагностика в гражданской авиации

Название: Мультимодальные средства функциональной диагностики летного и диспечерского состава гражданской авиации

Авторы: Адаскин А.В., Исакова О.И., Ceргейчик В.В., Филатов И.А., Загребин Д.А.

В статье рассмотрены результаты разработки нового поколения средств комплексной экспресс - диагностики состояния лётного и диспетчерского состава (ЛДС) на этапах медицинского освидетельствования и оперативного контроля дисфункций сердечно – сосудистой системы (ССС). Определены основные направления совершенствования средств и методов экспресс – диагностики ССС ЛДС. Рассмотрены результаты практической реализации технологии мультимодальных исследований ССС в информационно-вычислительном комплексе “Unimonex”.

Безопасность полётов, медицинское обеспечение, освидетельствование, комплексная диагностика, сердечно - сосудистая система, мультимодальность, Web-сервер, удалённый on-line мониторинг, диагностика патологий ССС на базе Интернет, синхронизация каналов диагностики.

Человеческий фактор в статистике лётных происшествий остаётся доминирующим [1]. Распространённость среди летного и диспетчерского состава заболеваний сердечно – сосудистой системы (ССС) остаётся основной причиной снижения безопасности авиаперевозок и роста профессиональной инвалидализации [2]. Так, по материалам Центральной врачебно-летной экспертной комиссии 80% всех пилотов, отстраненных от летной работы в 1995 - 2001 гг. имели ишемическую болезнь сердца, гипертоническую болезнь и атеросклероз, а у 38% эти заболевания были основными, определившими негодность к летной работе. Более того, ежегодно регистрируется 60-80 случаев острых отказов здоровья лиц летного состава, среди которых около 30% составляют инфаркт миокарда, 20% - стенокардия, 3% - нарушение мозгового кровообращения [3]. Основными факторами развития дисфункций ССС у членов экипажей и авиадиспетчеров являются:

Специфические условия профессиональной деятельности членов экипажей, а именно, шум и вибрация в кабине самолета, дополнительная перегрузка при выполнении маневров, парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе, частая смена часовых поясов и ряд других факторов.Высокий уровень нервно - эмоционального и психического напряжения при отсутствии физической нагрузки. В этих условиях у летного состава развивается гипокинезия и гиподинамия. При этом необходимо учитывать, что выполнение таких этапов полета, как взлет, заход на посадку в сложных метеорологических условиях, пилотирование при внештатных ситуациях и другие факторы являются причиной развития стресса. Малоподвижность и стресс являются основными факторами риска в развитии таких заболеваний, как гипертоническая болезнь, стенокардия, инфаркт миокарда, кровоизлияние в мозг и другие дисфункции ССС.Быстрое «старение» действующего летного и диспетчерского составов государственной авиации показывает. Увеличивается число лиц старшего возраста (более 50 лет), имеющих самый высокий процент случаев заболеваний ССС.

Таким образом, в общей структуре заболеваемости летного и диспетчерского составов гражданской и военной авиации ведущее место занимает сердечно - сосудистая патология. В этих условиях качественное медицинское освидетельствование летного и диспетчерского состава государственной авиации имеет ключевое значение для обеспечения безопасности и надежности эксплуатации воздушного транспорта. Последнее реализуется, как за счёт внедрения в авиационную медицину эффективных методик обследования, так и применения высокотехнологичных средств обработки результатов диагностики ССС ЛДС.

Современный уровень развития технический средств обработки, хранения, передачи и анализа диагностической информации, а также опыт врачебно – лётной деятельности показывает, что эффективность функциональной диагностики в авиационной медицине может быть значительно улучшена. Решение данной задачи может быть получено за счёт разработки и внедрения в авиационную практику новых технологий исследований ССС ЛДС, удовлетворяющих следующим требованиям:

Диагностика сердечно - сосудистой патологии у членов экипажей и авиадиспетчеров должна основываться на системном подходе, разработанного П.К.Анохиным [4]. Используемые на данный момент в авиационной практике средства диагностики этому требованию не удовлетворяют. Методики обследований ССС выполняются изолированно, а полученные результаты и нативная информация не доступны для комплексного анализа и подготовки заключения. В то же время установлено, что дисфункции ССС носят системный характер и одновременно проявляются в показателях нескольких методик исследований [5]. Выполнение этого условия определяет необходимость обеспечения мультимодальности исследований, т.е. применения в одном сеансе обследования группы клинически – информативных методов исследования ССС с обязательной синхронизацией всех регистрируемых данных и результатов их обработки. Мультимодальность функциональной диагностики даёт специалисту более полную и достоверную картину развития заболеваний в отличие от традиционных методов. В этом случае «проекция» патологий ССС одновременно на несколько методик позволяет добиться нового качества исследований и повысить достоверность диагноза. Таким образом, мультимодальность является обязательным условием реализации современных средств функциональной диагностики ССС ЛДС.

Высококвалифицированное медицинское обеспечение полётов должно выполняться круглосуточно, оперативно предоставляя ЛДС широкий сервис диагностики всех видов дисфункций ССС. Современные технологии коммуникации создают необходимые условия для организации дистанционных режимов on-line исследований, решающих задачи квалифицированной медицинской диагностики в удалённом режиме. Используя проводные/беспроводные/спутниковые каналы выхода в Интернет средства экспресс – диагностики (СЭД) передают в режиме реального времени регистрируемые показатели физиологии ССС на медицинский Web-сервер профильных организаций. Специалисты функциональной диагностики анализируют данные, выполняют их обработку и консультируют ЛДС в on-line режиме, используя возможности современных средств коммуникации. Исходная информация и результаты обследования автоматически записываются в базу данных на Web-сервере и ассоциируются с регистрационной картой пациента. Реализация такого подхода в авиационной медицинской практике позволяет в любой момент времени оказать адресную медицинскую помощь ЛДС в штатных и критических ситуациях управления ЛА. Таким образом, наличие развитой удалённой коммуникации с профильными службами авиационной медицины является обязательным атрибутом современных средств экспресс – диагностики ССС ЛДС.

Средства функциональной диагностики ССС должны быть просты и удобны в эксплуатации. Нарушения сердечно – сосудистой деятельности могут возникнуть при различных обстоятельствах и в различных условиях профессиональной деятельности ЛДС. Именно поэтому средства функциональной диагностики ССС должны иметь минимальное время на подготовку к работе и началу обследований в любых условиях: на этапе предполётной подготовки, в полёте и послеполётных условиях. С этих позиций к СЭД должны предъявляться следующие основные требования: портативность, автономное энергопитание, наличие встроенных каналов удалённой on-line коммуникации c медицинскими службами, быстрая подготовка к работе, удобство и простота в эксплуатации, встроенные средства подсказки и обучения, экспертная обработка результатов диагностики и выдача рекомендаций. Обследование должно быть сведено к набору чётких и однозначных инструкций, включающих описание этапов подготовки к работе, настройки каналов диагностики, регистрации результатов и их интерпретации. Изначально необходимо предполагать работу с комплексом плохо подготовленных сотрудников ЛДС. В этих условиях наиболее эффективно применение пошагового режима обследований, когда вся процедура диагностики разбивается на несколько этапов, каждый из которых включает набор простых в освоении операций. Обработка результатов должна выполняться встроенными средствами экспертного анализа с выдачей рекомендацией или в режиме удалённой on-line консультации. На сегодня в практике отечественной авиационной медицины отсутствуют средства диагностики, удовлетворяющие перечисленным требованиям.

Первой разработкой нового поколения средств экспресс - диагностики ССС ЛДС, доведённой до уровня опытного образца стала отечественная система “Unimonex” (ООО «БИОСОФТ-М», г.Зеленоград). “Unimonex” - система многоканальных on-line мониторинговых исследований состояния ССС одновременно несколькими методиками с расширенными возможностями по обработке, визуализации и хранению результатов диагностики. Система комплектуется следующими модулями: ультразвуковым допплерографом для исследования церебральной и периферической гемодинамики, электроэнцефалографом для исследований биоэлектрической активности головного мозга, электрокардиографом для исследований электрической активности сердца, пульсоксиметром для исследования насыщения гемоглобина крови кислородом, капнографом для исследования концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе, тонометром для исследования артериального давления. Каждый модуль регистрирует в режиме реального времени набор клинически-значимых для оценки нарушений ССС параметров её состояния. Все измерительные каналы функционируют одновременно и строго синхронизированы за счёт реализации уникальных аппаратно-программных решений. Дисфункции ССС отражаются одновременно в клинических показателях нескольких методик, что позволяет оперативно локализовать заболевание и достоверно его диагностировать. В результате, обеспечивается высокая эффективность лечения. Регистрация и обработка данных о состоянии ССС по каждому из измерительных каналов комплекса осуществляется в следующей последовательности: -с датчиков соответствующего канала снимается сигнал с характеристиками, определенными для выбранного метода исследования физиологических параметров пациента; - аналоговый сигнал с датчика поступает в специализированный приборный модуль, выполняющий аналого-цифровое преобразование сигнала и его первичную обработку (фильтрация, усиление и т.д. ); - оцифрованные данные каждого канала поступают в вычислительный модуль комплекса, где выполняется синхронизация данных, их обработка, визуализация и запись в БД. На рис 1. показано рабочее окно программы в момент регистрации параметров ССС ЛДС.

В правой части окна отображаются графики регистрируемых параметров, а в левой - расчетные индексы. Индексы и графики соответствуют одной и той же методике исследования и отделены на экране горизонтальными линиями. Таким образом, последовательно «сверху - вниз» на рабочем экране “Unimonex” располагаются области индикации результатов совместно используемых методик. Количество интегрируемых методик и их назначение определяется клиническими аспектами проводимых исследований и может варьироваться в широких пределах. Unimonex» позволяет синхронизировать специальными техническими и программными средствами регистрируемые при обследовании потоки данных, представленные в различных форматах, в единую систему комплексного анализа и обработки диагностической информации о состоянии ССС ЛДС. Комплекс имеет развитые средства настройки состава и количества используемых при обследовании методик. Выбор совместно используемых методик определяется задачами клинических исследований конкретного вида патологии. Визуализация данных каждого из каналов диагностики имеет два формата представления: сжатый и развёрнутый. Первый, используется для отображения информации одновременно по всем каналам диагностики, второй – для детализации результатов исследований в рамках конкретной методики. Сжатый формат представления данных имеет следующую структуру: в левой части канала отображается информационная панель с расчетными индексами, в правой части - график регистрируемого сигнала или тренд расчётного индекса. Такая форма представления наиболее эффективна для визуального восприятия и анализа нескольких потоков информации и хорошо зарекомендовала себя на практике. Информационная панель одновременно с индикацией выполняет функцию управления форматами представления данных каждой методики. Если активировать (щелчком мыши, с клавиатуры, касанием сенсорного монитора) область панели, отвечающей за отображение параметров конкретной методики, то будет открыт развёрнутый формат представления сигналов и результатов их обработки в рамках выбранной методики. Например, если выбрать область индикации расчетных параметров церебральной гемодинамики (рис.2), то на экран монитора будет выведен развёрнутый формат представления результатов ультразвуковой допплерографии исследуемых сосудов (рис.3).

Таким образом, сочетая две формы представления информации, «Unimonex» даёт пользователю развитые средства навигации в информационном поле многомерной диагностической системы регистрации параметров состояния пациента, обеспечивает гибкость анализа и эффективность диагностики ССС в целом.

Unimonex реализует следующие функции:

Одним из серьезных осложнений ССС среди ЛДС становится ишемический инсульт (ИИ) [6,7]. Так, в соответствии со статьей 6 Федеральных авиационных правил по медицинскому освидетельствованию летного и диспетчерского составов наиболее распространенным видом сосудистой патологии, ведущей к дисквалификации лиц летного состава, является атеросклероз сосудов головного мозга. Из пяти его основных патогенетических подтипов причина “ИИ по типу гемореологической микроокклюзии” часто остается неясной, что затрудняет проведение квалифицированной профилактики повторного инсульта. Развивается данный подтип при отсутствии атеросклероза и артериальной гипертензии [8]. Исследование этой патологии ССС было выполнено на базе системы “Unimonex”. Использовались современные ультразвуковые методы исследования - дуплексное сканирование сосудов головного мозга, транскраниальная доплерография (ТКДГ) с возможностью мониторирования и эмболодетекции. Полученные результаты позволили предположить тромбоэмболический механизм развития нарушений мозгового кровообращения у пациентов с патологической извитостью (ПИ) внутренней сонной артерии (ВСА) - воздействие на микроциркуляцию мозга образующихся из форменных элементов крови в турбулентных потоках на участках извитостей микроагрегантов, регистрируемых при ТКДГ как микроэмболические сигналы (МЭС). Были отобраны пациенты, у которых по данным эхокардиографии исключена патология сердца как возможный источник кардиальной эмболии: 45 человек, основная группа, с одно -, двухсторонними ПИ ВСА, всего 63 сосуда; 25 человек, группа сравнения, с одно -, двухсторонними извитостями внутренних сонных артерий без локального нарушения гемодинамики в зоне извитости - деформации ВСА, всего 59 сосудов. Признаком локального нарушения гемодинамики при дуплексном сканировании считали появление на участке извитости в CD-режиме цветового aliasing-эффекта при исходно корректном уровне шкалы PRF цветовой картограммы, что свидетельствовало о дезорганизации (турбулентности) потока с появлением высоко- и низкоскоростных его составляющих. При использовании PW-режима на доплеровской кривой ему соответствовало выраженное спектральное расширение, вплоть до исчезновения спектрального окна, увеличение Vps в месте изгиба и сразу за ним более, чем на 30 % (Рис.4).

Микроэмболы в средних мозговых артериях (СМА) регистрировали методом транскраниальной ультразвуковой допплерографии (ТКДГ), входящем в состав “Unimonex”. По данным ТКДГ с детекцией эмболов МЭС были выявлены в 65 сосудах: в 62 СМА на стороне ПИ ВСА; в 3 СМА на стороне деформаций ВСА. Количество идентифицированных МЭС у каждого пациента варьировало от 1-2 (25 сосудов), 3-5 (15 сосудов), 6-10 (5 сосудов), 11-20 (11 сосудов), 21-40 (5 сосудов), более 41 (4 сосуда). У троих пациентов с двухсторонними ПИ ВСА регистрировались кластеры МЭС (рис.5).

Все зарегистрированные МЭС были в частотном диапазоне от 125 до 776 Гц. При статистической обработке при построении графика переменной - частоты МЭС - с помощью критериев Шапиро - Уилка и Лиллиефорса для проверки на нормальное распределение величин выявлено выраженное разделение МЭС на три группы: первая группа МЭС частотой 125-200 Гц, вторая группа - частотой 201-400 Гц, третья группа - частотой 401-776 Гц (рис. 6).

МЭС в частотном диапазоне от 125 до 400Гц зарегистрированы в 54 сосудах (83%), при этом в 26 сосудах, в половине из них, все МЭС имели частоту ниже 200 Гц, и в трех регистрировались кластеры эмболов. Только в пяти сосудах (7.7 %) все зарегистрированные МЭС находились в диапазоне частот 401-776 Гц, при этом в контралатеральных, патологически извитых внутренних сонных артериях, одновременно регистрировались эмболы частотой до 400 Гц. Лишь в 8 сосудах (12.3%) присутствовали МЭС частотой от 125 до 800 Гц. Таким образом, чувствительность метода ТКДГ с детекцией МЭС составила 98.4 %, специфичность- 94.9 %, точность 96.7 %. Во всех трех группах распределение величин - продолжительности и интенсивности - также не подчинялось нормальному распределению, поэтому был использован непараметрический тест LSD для попарного сравнения групп (таблица 1).

Таблица 1

Применение в авиационной практике системы “Unimonex” для исследования острой формы патологии ССС - ИИ, позволило определить механизм его развития у ЛДС с ПИ сосудов головного мозга. Основные принципы его функционирования могут быть объяснены следующим образом. Тромбоциты движутся в сосуде вдоль стенки, выполняя свою основную функцию – ангиотрофическую, не допуская дистрофии эндотелия. Эндотелий, в свою очередь, контролирует тромбоциты, их прокоагулянтную функцию, синтезируя простациклин, оксид азота, эктоаденозиндифосфатазу. Попадая на участок извитости, тромбоцит меняет свой типичный ход вдоль стенки - он смещается в просвет сосуда, вовлекаясь с другими форменными элементами в турбулентный поток. Обладая самым низким отрицательным поверхностным потенциалом (-1), он быстрее всех его теряет, сталкиваясь при ускоренном хаотическом своем движении со встречным тромбоцитом. Воздействие сил сдвига (ускорение движения) приводит к самостоятельной активации тромбоцита [9,10]. На участке извитости на форменные элементы воздействует центробежная сила, прямо пропорциональная квадрату скорости движения частиц, обратно пропорциональная радиусу извитости сосуда; эта сила смещает форменные элементы, в том числе активированные тромбоциты, к наружному контуру извитости, где имеются самые высокие скорости движения частиц. В условиях воздействия высоких скоростей гликопротеиды (ГП) мембраны тромбоцитов, в первую очередь, ГП Ib , и, особенно, ГП IIb/IIIa резко повышают свою способность связываться с фактором Виллебранда, фибриногеном с образованием фибриновых мостиков, соединяющих тромбоциты друг с другом. Образуются мобильные тромбоцитарные агреганты (агрегация I), свидетельствующие о смещении гемостатического баланса за рамки физиологических норм. Активация тромбоцита приводит к резкому усилению агрегации. Присутствующие в сыворотке крови Ca++ и Mg++ способствуют консолидации, идет армирование агреганта нитями фибрина. Однако полной ретракции сгустка не происходит, так как отвечающий за нее ГП IIb/IIIa в процессе активации тромбоцита в высокоскоростном потоке изменил свои свойства – он связывался с фактором Виллебранда с образованием фибриновых мостиков и был частично потрачен! Рыхлый микроагрегант – микротромб уже сам за счет внутриполостных неровностей и неровностей краев создает регионы повышенной турбулентности с последующим повышением режущей нагрузки [11], за счет чего идет дополнительная активация и отложение тромбоцитов на его поверхности. Эта активация в два - четыре раза выраженнее, чем она шла бы на поверхности глубоко поврежденной стенки сосуда [12]. Таким образом, продвижение тромбоцитов по участку извитости сосуда в турбулентном высокоскоростном потоке приводит к лавинообразной агрегации. Тромб не фиксируется на поверхности эндотелия сосудистой стенки, так как краткое время контакта не позволяет установить прочные связи. Он движется в сосуде как эмбол, “уплывая” от антисвертывающей системы. Состоящий из тромбоцитов, фибрина и Са++, рыхлый “белый” микротромб, минуя извитость, двигаясь все по тому же наружному контуру, попадает в замедляющийся, организующийся в ламинарный поток неизвитого дистального участка сосуда, и здесь он, как губка, пропитывается красными кровяными тельцами, связывая их все теми же фибриновыми мостиками, и из “белого” становится “красным”. По мере удаления от места извитости МЭС перестает расти – исчезает турбуленция, а с ней снижается самоактивация тромбоцитов, снижается концентрация агонистов активации и агрегации; резко меняется антигенная характеристика ГП IIb/IIIa – в низкоскоростном потоке он перестает участвовать в образовании фибриновых мостиков; начинают отрываться дистально расположенные частично активированные тромбоциты, включаются механизмы противосвертывающей системы для поддержания равновесия гемостаза. Таким образом, теоретически и как показали наши исследования, на участке патологической извитости непораженного каким-либо процессом сосуда в высокоскоростном турбулентном потоке должно происходить смещение гемостатического баланса за рамки физиологической нормы, за счет которого может идти локальное тромбоэмболобразование. При этом в процесс первично включается агрегация, а затем адгезия. В данном случае агрегация тромбоцитов и эритроцитов в ответ на возмущающее действие высокоскоростного турбулентного потока являются следствием неспособности общей интегрирующей активности гемостаза противостоять этому воздействию. Происходит сбой в работе механизмов регулирования системы гемостаза. Логично предположить, что компенсируя этот сбой включаются другие, компенсаторные механизмы гомеостаза, поддерживающие его до поры в физиологическом состоянии, адекватном для функционирования системы в целом. Тем более, что сама нервная ткань обладает способностью изменять свою структурно-функциональную организацию под влиянием различных эндо - и экзогенных факторов, участвовать в реорганизации нарушенных функций – обладает пластичностью. За счет своей полифункциональности нервные клетки восстанавливают и компенсируют нарушенные функции ЦНС после повреждения. На каком-то этапе острая ишемия даже является фактором, ее активизирующим. Пластичность реализуется и с помощью механизмов сосудистой регуляции, обеспечивающих в соответствии с метаболическими потребностями поддержание постоянства функции нервной ткани. Длительное воздействие (по теории вероятности в каком-то проценте случаев на одни и те же структуры) микроэмболов вызывает стойкое расстройство микроциркуляции, нарушающее питание мозга. Постоянное напряжение механизмов сосудистой ауторегуляции (в первую очередь, локального метаболического) приводят к перерастяжению артериол с последующим развитием в их стенке склеротическо-дистрофических процессов, следствием чего будет их неспособность на каком-то этапе адекватно участвовать в ауторегуляторных механизмах, что сузит физиологический диапазон, уменьшит функциональный резерв ауторегуляторных механизмов. При наложении отягощающих факторов (нарушениях общей гемодинамики, изменении реологических свойств крови и т.д.) такая неспособность может привести к их срыву с развитием той или иной цереброваскулярной патологии. Процесс локального микротромбообразования по данному механизму может идти в любом извитом сосуде, где присутствуют высокоскоростные турбулентные потоки крови.

В основе разработанной системы “Unimonex” лежит принцип интегративной медицины, предполагающей объединения нескольких методик и средств их реализации при исследовании ССС ЛДС. Применение такого комплекса на практике делает доступным в рамках одного сеанса обследования реализовать сразу несколько методик с синхронной визуализацией и обработкой полученных результатов. Практическая эффективность комплексной диагностики ССС определяется повышением качества и достоверности подготовки заключения и, как следствие, высокой эффективностью лечения. Количество интегрируемых средств и методов обследования определяется содержанием клинических задач и может варьироваться в широких пределах. Результаты апробации созданных средств в задачах исследования ишемического инсульта позволили обосновать один из возможных механизмов его развития и найти способы ранней диагностики ИИ у ЛДС с патологической извитостью сосудов головного мозга. Уникальные возможности комплекса обеспечивают повышение эффективности диагностики на этапах амбулаторных обследований, операционных вмешательств и реанимации.