КЭ Спрут-МБИ

Исследование состояния жидкостных сред организма человека
в условиях длительного космического полета (Спрут-МБИ)
Постановщик(-и): Носков В.Б., д.м.н., Учреждение Российской академии наук
Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических
проблем РАН (ГНЦ РФ – ИМБП РАН)
Экспедиции 1, 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12 завершён


Спрут-МБИ, экспедиции 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12
Спрут-МБИ перфекшн, экспедиции 1, 3
Область исследования Космическая физиология
Одной из основных причин снижения ортостатической устойчивости и физической
работоспособности в раннем послеполетном периоде считается перераспределение
жидких сред организма. Поэтому исследование динамики инфраструктуры жидкостных
пространств имеет не только научный интерес, но и прикладное значение для
целенаправленного использования средств профилактики, в частности, диуретиков,
водно-солевых добавок и других средств коррекции гидратационного статуса
космонавтов.
Целью КЭ «Спрут-МБИ» являлось получение данных о состоянии жидкостных сред
организма человека в условиях длительного космического полета для оценки состояния
адаптационных механизмов и совершенствования мер профилактики неблагоприятного
влияния невесомости применительно к условиям полета на борту МКС. В эксперименте
"Спрут-МБИ" впервые в условиях космического полета исследование состояния вне- и
внутриклеточного пространства организма проводилось с помощью импедансометрии.
Сущность метода состояла в том, что переменный ток различной частоты
распространяется в теле человека.
Импеданс (сопротивление) тела на низкой частоте отражает количество внутрисосудистой
жидкости, а импеданс на высокой частоте – количество общей жидкости тела. Для
проведения эксперимента использовалась следующая научная аппаратура (Рисунки 1, 2):
1. Комплект «Спрут-К» (импедансометр и принадлежности);
2. Комплект «Гематокрит» (миницентрифугa М1100);
3. Измеритель массы тела бортовой ИМ-1 или медицинские весы;
4. Бортовой компьютер и специальное программное обеспечение.
1
Рисунок 1 – Комплект «Спрут-К».
Рисунок 2 - Портативный бортовой биоимпедансометр
«Спрут-К» для неинвазивных измерений объемов
жидкостных секторов организма в условиях космического
полета.
Малогабаритный импедансометр "Спрут-К" осуществлял непрерывное преобразование
электрического сопротивления исследуемых участков тела человека в электрические
сигналы, оцифровку этих сигналов и передачу данных в компьютер, где производился
окончательный расчет параметров
жидкостных сред организма с учетом
полученных
ранее
результатов
штатных медицинских обследований
– массы тела космонавта и
гематокритного
числа.
Рассчитывались
следующие
параметры:
− объем общей жидкости организма;
− объем внеклеточной жидкости
организма;
− объем клеточной жидкости, а также
тощей и жировой массы тела и
соотношение различных параметров
(Рисунок 3).
Рисунок 3 - Получаемая графическая информация.
Перед
каждым
сеансом
космического эксперимента на борт передавалась радиограмма по его подготовке и
проведению. Каждый сеанс эксперимента "Спрут-МБИ" проводился в утренние часы
суток, натощак. Во время сеанса бортового эксперимента обследуемый космонавт
2
находился в состоянии физического покоя и в стандартной позе "свободного парения"
(Рисунок 4). Исследований космонавтов проводились также до полета и в послеполетный
период (на 1-е и 7-е сутки реабилитационного периода).
Рисунок 4 - Космонавт во время проведения сеанса эксперимента «Спрут-МБИ» на орбитальной
космической станции.
Научная информация, полученная в ходе бортовых сеансов эксперимента,
анализировалась на Земле с помощью специальной компьютерной программы обработки
данных,
созданной
разработчиками
импедансометра.
Математическому
и
компьютерному анализу подвергалась динамика отдельных жидкостных секторов
организма и соотношение импедансов различных секторов в условиях длительного
космического полета. Сопоставление исследуемых параметров производилась по
изменениям индивидуальных значений каждого из них, выраженных как в абсолютных
цифрах, так и в процентах к исходному (дополетному) уровню.
Использование результатов эксперимента на Земле
Новые результаты изменения уровня гидратации организма и состава тела, полученные с
помощью биоимпедансного анализа, хорошо согласовывались с полученными ранее с
помощью инвазивных методик и не противоречат устоявшимся представлениям о
характере адаптации водно-солевого гомеостаза к условиям невесомости. В настоящем
исследовании показаны преимущества биоимпедансного анализа для космической
медицины по сравнению с другими методами из-за его безопасности и атравматичности.
Метод двухчастотной биоимпедансометрии - это неинвазивный, быстрый и безопасный
способ определения состава тела и объемов жидкостных сред организма основанный на
электрических свойствах биологических тканей. При этом он обеспечивает необходимую
точность определения, а обработка получаемой информации производится
3
непосредственно в ходе обследования. Портативность и высокая помехоустойчивость
позволяет использовать импедансометры типа прибора «Спрут-К» в так называемых
«полевых» условиях, например, в машинах скорой медицинской помощи, а также для
решения специфических задач медицины катастроф и в других экстремальных ситуациях,
вызывающих нарушения вводно-солевого гомеостаза.
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
Водно-солевой гомеостаз играет важную роль в процессах общей адаптации организма
человека к новым условиям жизнедеятельности и к условиям невесомости в частности.
Космический полет вызывает перестройку водно-солевого гомеостаза, т.е. отсутствие
гравитации и другие факторы полета оказывают специфическое влияние на жидкие
сектора организма. В свою очередь, эти изменения оказывают прямое и опосредованное
влияние на физиологические и метаболические функции организма. Изучение динамики
перестройки водно-солевого обмена в условиях космического полета и раннем
послеполетном периоде имеет большое практическое значение, поскольку изменения
водно-электролитного баланса играют не последнюю роль в развитии послеполетной
ортостатической неустойчивости и других неблагоприятных изменений сердечнососудистой системы. Проведение импедансометрических исследований на борту
орбитальной станции с помощью бортового комплекта «Спрут-К» показало, что можно
проводить автоматическое измерение основных жидкостных объемов организма
космонавта в реальном масштабе времени непосредственно в условиях длительного
полета, таким образом показана принципиальная возможность использования метода
биоимпедансометрии в условиях невесомости. Результаты настоящего исследования
позволяют надеяться на применение биоимпедансного анализа для оперативного
медицинского контроля, в том числе водно-солевого статуса, во время длительных
межпланетных экспедиций, потому, что исследование гидратационного статуса человека
с помощью бортового импедансометра может быть проведено многократно и в любой
момент.
Результаты
Результаты научного эксперимента показали, что гравитационный фактор играет
важнейшую роль в формировании иного уровня водно-солевого гомеостаза.
Использование неинвазивного и совместимого с условиями полета метода
биоимпедансометрии впервые в мировой космонавтике дало возможность оценить
гидратационный статус организма человека непосредственно в условиях длительного
космического полета. С помощью бортового импедансометра «Спрут-К» впервые
проведено многократное измерение основных жидкостных секторов у 12-ти космонавтов
во время полугодовых орбитальных полетов в реальном масштабе времени и
диагностировано развитие гипогидратации организма. Анализ полученных результатов
показал, что у всех 12-ти космонавтов наблюдались однонаправленные изменения, а
диапазон индивидуальных изменений во время полета был весьма узок: от 5 до 10 % для
разных жидкостных секторов. Результаты свидетельствуют о равномерной убыли
жидкости из различных водных секторов организма в условиях длительного космического
полета (Рисунок 5).
4
Рисунок 5 - Изменения жидкостных пространств и состава тела (в % от фонового уровня, принятого
за 100 %) у космонавтов в различные сроки проведения КЭ «Спрут-МБИ».
Максимальные величины дефицита жидких сред были отмечены сразу после
возвращения космонавтов на Землю, что говорит об особой интенсивности воздействия
на водно-солевой обмен заключительного этапа полета и приземления. В условиях
невесомости выявлено развитие гипогидратации организма, выраженной в равномерном
уменьшении жидкостных пространств, и характерные изменения состава тела. Причем
динамика и темпы снижения жидкостных объемов, а также жировой и мышечной массы
тела хорошо сопоставимы по характеру и величине. У большинства из обследованных
космонавтов, несмотря на индивидуальные различия, выявлено отчетливое снижение
уровня гидратации организма во время длительного пребывания в условиях невесомости
при одновременной потере мышечной массы. Через неделю после окончания полета все
исследуемые параметры имели отчетливую тенденцию к восстановлению дополетного
гидратационного статуса и массы тела.
Публикации
1. Носков В.Б., Ничипорук И.А. Динамика объемов жидкостных пространств организма у
космонавта при длительном полете // Рос. физиол. журн. им И.М. Сеченова - 2004. Т. 90,
№ 8, С. 76.
2. Николаев Д.В., Смирнов А.В., Носков В.Б. Методические вопросы биоимпедансного
анализа состава тела и баланса водных секторов // В кн. Диагностика и лечение
нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы, М-2004, С. 105-114.
3. Носков В.Б., Ничипорук И.А., Моруков Б.В., Маленченко Ю.И. Исследование состояния
жидких сред организма человека в условиях длительного космического полета //
Авиакосмич. и экологич. медицина - 2005, Т. 39, № 1, С. 27 - 31.
4. Носков В.Б., Котов А.Н. Импедансометрическое исследование гидратационного статуса
и состава тела при антиортостатической гипокинезии // Авиакосмич. и экологич.
медицина, 2005, Т. 39, № 4, С. 41-45.
5
5. Носков В.Б., Котов А.Н., Моруков Б.В., Ничипорук И.А., Шаргин Ю.Г. Биоимпедансный
анализ жидких сред и состава тела в условиях непродолжительного космического полета
и гипокинезии. // Физиология человека, 2006, Т. 32, № 5, с. 136-139.
6. Носков В.Б., Ничипорук И.А., Котов А.Н. Биоимпедансометрия состава тела и водных
секторов в условиях невесомости и при её имитации. // Тезисы Х111 Конфер. по космич.
биологии и авиакосмич. медицине, М - 2006, С. 223-224.
7. Носков В.Б., Николаев Д.В., Туйкин С.А., Кожаринов В.И., Грачев В.А. Портативный
импедансометр для оценки жидкостных пространств организма в условиях космического
полета // Медицинская техника, 2007, № 2, С. 45-47.
8. Носков В.Б., Ничипорук И.А., Григорьев А.И. Динамика жидкостных сред и состава тела
в условиях длительного космического полета (биоимпедансный анализ) // Авиакосмич. и
экологич. медицина - 2007, Т. 41, № 3, С. 3-7.
9. Носков В.Б., Ничипорук И.А Неинвазивное определение жидкостных секторов
организма человека в условиях космического полета (эксперимент «Спрут») (В печати, в
книге по МКС)
10. Noskov V.B., Kotov A.N., Morukov B.V. et al. Bioimpedance analysis of liquids and body
composition under the conditions of short-term space flight or hypokinezia. // Human Physiol.,
2006, Vol. 32, № 5, pp. 622-625.
11. Noskov V.B., Nikolaev D.V., Tuikin S.A. et al. A portable impedancemeter for monitoring
liquid compartments of human body under space flight conditions. // Biomedical Engineering,
2007, Vol. 41, № 2, рр. 94-96.
12. Grigoriev A.I., Noskov V.B., Nichiporuk I.A. Influence of long-term space missions on
hydrational status of humans (investigations aboard the International Space station) // Acta
Astronautica, (В печати)
6