Оценка фракционной сатурации крови у пилота воздушного судна в условиях влияния динамических полётных факторов

Целью исследования является повышение точности при оценке уровня насыщения крови кислородом у пилота воздушного судна при проведении неинвазивных спектрофотометрических измерений в проходящем свете в условиях влияния динамических факторов полёта.

Методы исследования основаны на базовых понятиях взаимодействия оптического излучения с биологической тканью и кровью, теории пульсовой оксиметрии, теории вероятностей, математической статистике, теории сигналов. При разработке математических моделей фотоплетизмографических сигналов, авиационных шумов, вибрации, а также для их представления в частотной области в качестве инструментария использовалась программа MATLAB 2019b с графическим интерфейсом пользователя со встроенным пакетом математических функций Symbolic Math Toolbox.

Результаты. Разработаны математические модели, позволяющие оценить уровень функциональной и фракционной сатурации крови. Проведены модельные исследования влияния динамических полётных факторов, таких как широкополосная квазигармоническая вибрация и авиационный шум на точность оценки уровня сатурации крови пилота. Показано, что для оценки функциональной сатурации достаточно использование двух источников оптического излучения, тогда как для фракционной их минимальное количество должно быть равно четырём и определяется по количеству учитываемых фракций гемоглобина в составе крови. Применение четырёх источников оптического излучения заданного спектрального состава (660 нм, 805 нм, 880 нм и 940 нм) при проведении неинвазивных спектрофотометрических измерений для оценки уровня насыщения крови кислородом по сравнению с двумя источниками (660 нм и 940 нм) позволяет снизить абсолютную погрешность: в условиях влияния широкополосной квазигармонической вибрации - в 3,64 раза; в условиях влияния авиационного шума (70 дБ) и (30 дБ) - в 7,64 и 2,5 раза соответственно; в условиях влияния комплексного воздействия вибрации и авиационного шума (30 дБ) - в 2,22 раза.

Заключение. Для адекватной оценки функционального состояния пилота по значениям его физиологических показателей, в частности по уровню насыщения крови кислородом, необходимо использование средств диагностики на базе многоволновой пульсовой оксиметрии, позволяющих оценивать уровень фракционной сатурации.

1. Основы авиационной и космической медицины / под ред. И. Б. Ушакова. М.: Слово, 2007. 344 с.

2. Мухин И. Е., Селезнев С. Л., Коптев Д. С. Направления и практические результаты создания методов и средств диагностики и прогностики состояния авиационного комплекса «человек - машина» // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2017. Т. 7, № 3 (24). С. 46-57.

3. Мухин И. Е., Дворников М. В., Коптев Д. С. Подсистема контроля физиологического состояния пилота как одного из звеньев биотехнической системы эргатического типа «пилот - самолёт - окружающая среда» // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2017. Т. 7, № 4 (25). С. 59-69.

4. Годунов А. И., Куатов Б. Ж., Сущик Д. М. Алгоритмы контроля действий лётного экипажа по управлению летательным аппаратом // Вестник Карагандинского государственного университета. Серия: Математика. 2015. № 1 (19). С. 15-24.

5. Алексеенко М. С. Личностный потенциал в практике психологического обеспечения лётной деятельности // Психология и психотехника. 2021. № 4. С. 111-131.

6. Оценка функционального состояния организма летчиков во время смоделированного полета на тренажере / В. В. Сериков, О. И. Юшкова, В. Е. Богданова, Е. В. Зибарев, А. Ю. Форверц // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Биология и экология. 2020. № 1(57). С. 17-30.

7. Руководство по авиационной медицине. URL: http://www.icao.int>publications/Documents/8984_con_s_ru.pdf (дата обращения: 08.02.2022).

8. Влияние курения на состояние кислородтранспортной системы крови юношей в зависимости от уровня их двигательной активности / Т. В. Антипина, Е. Е. Исаева, В. Г. Шамратова, С. Р. Усманова // Физическая культура, спорт - наука и практика. 2019. № 1. С. 78-83.

9. Hampson N. B., Scott K. L. Use of a noninvasive pulse CO-oximeter to measure blood carboxyhemoglobin levels in bingo players // Respiratory care. 2006. Vol. 51. P. 758-760.

10. US Patent 5.842.979. Method and apparatus for improved photoplethymos-graphic monitoring of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin and methemoglobin / Jarman K. H. Announced on 14.02.97; published 01.12.88.

11. Multi-wavelength pulse oximetry: theory for the future / T. Aoyagi, M. Fuse, N. Kobayashi, K. Machida, K. Miyasaka // Anesthesia and analgesia. 2007. Vol. 105. P. S53- 58.

12. Measurement of carboxyhemoglobin and methemoglobin by pulse oximetry: a human volunteer study / S. J. Barker, J. Curry, D. Redford, S. Morgan // Anesthesiology. 2006. Vol. 105. P. 892-897.

13. Shapovalov V. V., Dudnikov S. Y., Zagorsky I. G., Gurevich B. S. A non-invasive method for spectroscopic blood glucose monitoring // Modern technologies in medicine. 2019. Vol. 11(2). P. 110-114. https://doi.org/10.17691/stm2019.1L2.16.

14. Lambert J. Photometria, sive de mensure et gradilus luminus, colorum et mubrac // Ostwald's Klassiker den exakten. Wissenchaften,1892. Р. 31-33.

15. ГОСТ 31191.1-2004. Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Часть 1. Общие требования. URL: http://www.docs.chtd.ru>document/1200060904 (дата обращения: 08.02.2022).

16. Yao J., Warren S. A short study to assess the potential of independent component analysis for motion artifact separation in wearable pulse oximeter signals // Proc.27 th Annu. Conf. IEEE Eng. Med. Biol., 2005. P. 3585-3588.

17. Noninvasive Optical, Electrical, and Acoustic Methods of Total Hemoglobin Determination / J. W. McMurdy, G. D. Jay, S. Suner, G. Crawford // Clinical Chemistry. 2008. Vol. 54(2). Р. 264-272.

18. ГОСТ ISO 9919-2011. Изделия медицинские электрические. Частные требования безопасности и основные характеристики пульсовых оксиметров. URL: http://www.docs.cntd.ru>document/1200100803 (дата обращения: 07.02.2022).

19. Calibration-free pulse oximetry based on two wavelengths in the infrared - a preliminary study / M. Nitzan, S. Noach, E. Tobal, Y. Adar, Y. Miller, E. Shalom, S. Engelberg // Sensors. 2014. N 14 (4). Р. 7420-7434.

20. Doshi R., Panditrao A. Non-Invasive Optical Sensor for Hemoglobin Determination // International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). 2013. N 3. P. 55962.