Кислородный конфликт и третейский суд: принцип оптимального управления

Надежность работы системы дыхания обеспечивается принципом оптимального управления, который если и не полностью удовлетворяет потребности органов и тканей в кислороде, то хотя бы позволяет им нормально функционировать. Особенно велика роль принципа оптимального управления при кислородной недостаточности любого происхождения, когда между отдельными органами возникает конкурентная борьба за кислород, кислородный конфликт. Примером такого конфликта может быть распределение кровотока и соответственно доставка кислорода к работающим скелетным мышцам и к сердечной мышце, обеспечивающей увеличение объема циркулирующей крови. В работающих мышцах благодаря контурам кровотока и в результате использования принципа управления по отклонению (падению артериального давления ниже нормального уровня), осуществляющегося рефлекторно, МОК увеличится. Но это возможно лишь при усилении работы сердечной мышцы. В этом случае ей также потребуется большее количество кислорода, а значит, и больший кровоток. Как разрешить конфликт, кому сколько получать крови?

В качестве третейского суда выступает принцип оптимального управления: и сердечная, и скелетные мышцы получат немного меньше кровотока и кислорода, чем это требуется для полного удовлетворения их потребности, но все же достаточно, чтобы обеспечить возможность работы основной массы их мышечных волокон. Объем циркулирующей крови, содержащегося в ней кислорода, доставляемого к скелетным и сердечной мышцам, должен быть таков, чтобы напряжение кислорода в них было выше критического уровня (т. е. уровня, ниже которого потребление кислорода этими мышцами начинает падать), так как уменьшение потребления кислорода обусловливает ухудшение их функции: сила сокращения сердечной мышцы уменьшится, это приведет к снижению ударного и минутного объема крови, т. е. к уменьшению кровотока и в скелетных мышцах. Если вследствие этого Р02 в скелетных мышцах падет ниже критического Уровня, снизится функция волокон, а с ней и потребность в кислороде. Таким образом, кислородный конфликт Разрешается благодаря оптимальному выходу: кровоток в скелетных и сердечной мышцах будет несколько ниже требуемого для поддержания Р02 в мышечных волокнах на нормальном уровне, но на таком еще, когда Р02 выше критического.

Возможно ли математическое моделирование работы дыхательного компьютера? Могут ли компьютеры прогнозировать физическое состояние человека? Описание кислородного конвейера и физиологических механизмов его регуляции, анализ функции системы дыхания с позиций теории управления и применение известных в технике принципов управления в системе дыхания послужили основой для математического моделирования этой системы, отдельных ее контуров. В настоящее время существует более ста моделей дыхания. Некоторые из них, наиболее близкие к реальности, которые описывают изменения процессов дыхания в динамике дыхательного цикла, управление в системе дыхания, разработаны коллективами двух институтов АН УССР: Института физиологии им. А. А. Богомольца.

Что из себя представляют эти модели? Во-первых, это поэтапное математическое описание работы конвейеров массопереноса кислорода, углекислого газа и азота на каждом их этапе, представляющее систему примерно из 200 уравнений первого и второго порядков. Во-вторых, это алгоритмы, определяющие последовательность действий, порядок ввода исходных данных о конкретном объекте, условиях окружающей среды, а также о закономерности управления процессом. В-третьих, это реализация модели на вычислительных машинах. После отладки программы на компьютере моделируется функция системы дыхания в разных, выбираемых по усмотрению экспериментатора условиях. Так, после введения в компьютер исходных данных о конкретном человеке, находящемся в состоянии покоя в условиях нормального атмосферного давления (рост, масса тела, содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и альвеолярном воздухе, МОД, МОК, содержание гемоглобина в крови и степень его насыщения кислородом, сведения о барометрическом давлении, давлении водяных паров, температуре и содержании кислорода в окружающем воздухе, концентрации буферных оснований) осуществляется счет, и компьютер выдает данные по 40 показателям, характеризующим режимы массопереноса кислорода, углекислого газа и азота. В число этих показателей входят РА02 и РАС02, содержание кислорода в артериальной и смешанной венозной крови, насыщение венозной крови кислородом, ее рН, Р102, амплитуда колебаний Р02 и РС02 в альвеолярном воздухе и артериальной крови на протяжении дыхательного цикла в условиях покоя и при физической нагрузке разной тяжести, при нормальном, пониженном или повышенном Ра02.

После того как на компьютере получены характеристики кислородных режимов организма в покое, в обычных для данного человека условиях пребывания, можно с помощью компьютера и заложенных в него программ прогнозировать изменения параметров массопереноса кислорода, углекислого газа, азота, показателей кислотно-щелочною равновесия и в зависимости от них и состояния организма в самых различных условиях: при физической нагрузке разной тяжести, снижении (либо повышении) Ра02, понижении-повышении барометрического давления, нарушениях циркуляции крови, уменьшении в ней содержания гемоглобина, наконец, при поражениях тканевого аппарата дыхания. В качестве примеров можно привести составленные на основании данных компьютера графики, представляющие изменение каскадов Р02 при экстремальном снижении парциального давления кислорода в окружающем воздухе.

Благодаря компьютеру удалось выявить значительное увеличение амплитуды колебаний Ра02 и РаС02 на протяжении дыхательного цикла при физической нагрузке, рассчитать колебания скорости газовых потоков через альвеолярно-капиллярную мембрану. Эти данные позволили получить представления о Р02 в смешанной венозной крови при нагрузках, разной интенсивности и по этому показателю судить о возможности выполнения той или иной нагрузки. Так, если Р502 при нагрузке оказывается на уровне, близком к критическому, то такая нагрузка переносится плохо, человек ее выполнять далее не сможет. Кроме того, расчеты по программе, составленной на основании математической модели системы дыхания с оптимальным управлением, дали возможность прогнозировать величину МОК, кровотока в мышцах и головном мозге, необходимых для выполнения работы той или иной тяжести. По возможности выполнения такой работы организмам можно прогнозировать его состояние при нагрузках разной тяжести, а также возможную величину нагрузки с максимальным потреблением кислорода.

По расчетам на компьютере можно сделать вывод о том, что до того, как Ра02 не снизится до 90 мм рт. ст. (12 % кислорода в воздухе) и Ра02 и Р502 будут выше критических уровней, тканевая гипоксия (т. е. состояние, при котором от недостатка кислорода страдают клетки, ткани, органы и нарушаются их функции) будет отсутствовать, состояние человека будет вполне удовлетворительным.

При меньшем Р502 Ра02 станет меньше критического, в результате чего ухудшится состояние организма, наступит кислородное голодание со всеми сопутствующими симптомами.

Можно привести в качестве еще одного примера прогнозирование оптимального содержания кислорода во вдыхаемой газовой смеси - (смеси азота с кислородом). Кислород под повышенным давлением оказывает токсическое действие на организм, причем, чем дальше человек пребывает в атмосфере повышенного р02, тем больше проявляется токсичность кислорода. Поэтому для акванавтов проблема подбора газовых - одна из наиболее значимых. При подборе нужной концентрации кислорода в компьютер были заложены исходные данные для водолазов-испытателей, т. е. данные, соответствующие состоянию покоя при нормальном атмосферном давлении, рассчитаны параметры кислородных режимов организма в этих условиях, а затем в программу были включены расчеты кислородных параметров для разного содержания кислорода (его парциального давления во вдыхаемой смеси). Полученные на основании этих расчетов графики позволили подобрать оптимальное содержание кислорода в, т. е. такое, при котором его Ра02 и Р502, скорость поступления в альвеолы, транспорта кровью и потребления были близки к соответствующим значениям при нормальном атмосферном давлении. Выбор пал на предпоследний вариант, так как при большем снижении содержания кислорода появляются симптомы кислородного голодания.

Таким же путем можно рассчитать кислородные параметры организма акванавтов при выполнении ими подводных работ и подобрать состав дыхательной смеси.

Само собой разумеется, что прогнозируют не компьютеры, а люди, обладающие достаточными знаниями и на основании этих знаний создающие для компьютеров программы - формализованные описания процессов и порядок логических действий самого компьютера, люди, способные анализировать результаты расчетов на компьютере. От опыта, знаний и таланта ученых и программистов зависят результаты расчетов и их анализ.

Адекватность данных, полученных с помощью математических моделей на компьютерах, реальным процессам проверяется на практике - при инструментальных измерениях некоторых параметров. Так, прогнозируемые величины МОД и МОК в условиях низкого Р502 оказались близкими по значениям и характеру инструментально-определяемым величинам, а прогнозируемые показатели максимального МОК для велосипедисток самой высокой квалификации - весьма близкими определяемым впоследствии значениям этих показателей во время тестирования спортсменок.

Расчеты, произведенные с помощью математических моделей системы дыхания, позволяют также выявлять резервные возможности и слабые места организма, уровень развития отдельных его физиологических систем, на основании этого разрабатывать медицинские рекомендации для улучшения физического состояния и оптимизации тренировочного процесса спортсменов.