Агуреев А.Н., Афонин Б.В. Средства и методы подготовки космонавтов к выполнению УЗИ органов и сосудов брюшной полости при проведении космического эксперимента "Спланх" на РС МКС. Мат. XLV чтений, посв. памяти Ю.А. Гагарина, г. Гагарин, 2018. С.294-312.

Авторы: Агуреев А.Н. / Афонин Б.В.

Средства и методы подготовки космонавтов к выполнению ультразвуковых исследований органов и сосудов брюшной полости при проведении космического эксперимента

Существует концепция специфичности изменений пищеварительной системы (ПС) в условиях космического полёта (КП), которые обусловлены особенностями её функционирования в условиях невесомости [1, 2]. Концепция основана на результатах исследований, полученных у космонавтов после КП [1- 6], животных на биоспутниках и исследованиях в экспериментах, моделирующих воздействие на организм факторов космического полёта [1, 3, 7-12]. Установлено, что основной причиной, вызывающей в КП изменения функционального состояния пищеварительной системы, является невесомость [1, 3, 7]. В качестве факторов, определяющих функциональное состояние пищеварительной системы в невесомости, рассматриваются гипокинезия, обусловленная мышечной гипотонией и гиподинамией [3, 7] и гемодинамическая перестройка, обусловленная облегчённым возвратом венозной крови к сердцу [4, 5, 11-13]. В соответствии с причинно-следственными связями считается, что развивающаяся в невесомости в КП гипокинезия лежит в основе гипокинетического механизма изменений пищеварительной системы [3, 75], а изменения венозной гемодинамики в брюшной полости, вызванные перераспределением жидкостных сред организма – в основе гемодинамического механизма [13].

Современные технические и методические возможности позволяют подтвердить основные положения этой концепции при проведении исследований состояния пищеварительной системы непосредственно в экспедициях на МКС в условиях длительного пребывания в невесомости [4, 13]. Для исследования особенностей изменений структурно-функционального состояния пищеварительной системы, возникающих в условиях космического полёта, в ГНЦ РФ–ИМБП РАН разработан и подготовлен к проведению на борту Российского сегмента МКС медицинский космический эксперимент (КЭ) «Спланх» [14, 15]. КЭ «Спланх» включает последовательное выполнение российскими экипажами на МКС в условиях невесомости исследований состояния ПС, включающих определение в капиллярной крови из пальца биохимических показателей, накожную электрогастроэнтерографию (ЭГЭГ), ультразвуковые исследования (УЗИ) внутренних органов, сосудов и допплерографические исследования кровотока в магистральных сосудах брюшной полости. Целью КЭ является получение в условиях космического полёта фундаментальных данных о структурно-функциональном состоянии различных отделов желудочно-кишечного тракта, органов и сосудов брюшной полости, забрюшинного пространства и лежащих в их основе механизмах, определяющих особенности изменений пищеварительной системы в невесомости.

В настоящее время на МКС идет реализация первого этапа КЭ «Спланх» [15]. На 1-м этапе КЭ проводятся исследования электрической активности желудочно-кишечного тракта бортовым 2-х канальным гастроэнтерографом (Спланхограф), разработанным ГНЦ РФ–ИМБП РАН совместно с НПП «Исток-Система» РФ, (рис. 1). ЭГЭГ подкрепляется определением на бортовом анализаторе «Рефлотрон-4» 7-и биохимических показателей в капиллярной крови из пальца, характеризующих состояние различных органов пищеварительной системы (рис. 2). Электрогастроэнтерография является важной составной частью КЭ «Спланх». В КЭ применен метод накожной ЭГЭГ, позволяющий с электродов, расположенных на коже, количественно оценивать величину ЭА основных отделов ЖКТ, по изменениям которой можно судить об изменениях их функциональной активности, подобно ЭКГ в кардиологии [16, 17].

В 2018 г. начнется 2-й этап КЭ «Спланх» и гастроэнтерография будет дополнена проведением ультразвуковых исследований органов и сосудов брюшной полости в условиях космического полёта. Одной из задач этапа 2 является продолжение исследований по выявлению специфики электрической активности различных отделов желудочно-кишечного тракта в невесомости с использованием комплекта «Спланх-1». Другой задачей КЭ является выявление изменений ультразвуковой картины органов пищеварительной системы с использованием комплекта «Спланх-2». На втором этапе КЭ «Спланх» ультразвуковые исследования должны определить количество свободной жидкости в желудке натощак (желудочного сока), толщину стенок желудка, кишечника, желчного пузыря, желчных протоков, объем желчного пузыря, размеры поджелудочной железы, печени и селезенки, диаметр кишечника, желчных протоков, магистральных сосудов. После приёма пищи будут исследованы эвакуаторная активность желудка, сократительная способность желчного пузыря, реакция поджелудочной железы [10-12].



Для реализации проведения ультразвуковых исследований внутренних органов и сосудов на борту МКС в ГНЦ РФ–ИМБП РАН совместно с ОАО «Спектромед» проведена разработка ультразвуковой системы «Сономед-К» (рис. 3). Бортовая ультразвуковая система выполнена в корпусе производственного компьютера (экран 22 дюйма) с откидной крышкой-клавиатурой, снабжённой сенсорной площадкой манипулятором с двумя кнопками. На передней панели имеются 2 USB-слота для подключения флешь-карт для переноса файлов с результатами ультразвуковых исследований. На правой боковой панели расположен слот для подключения датчиков-зондов. На МКС предусмотрена поставка 3-х датчиков (конвексного 3,5 мГц, секторального – 5,0 мГц и линейного – 7,5 мГц) в укладке КРМ «Спланх-2». Питание прибора осуществляется от бортовой розетки 28 В, 5А. Ультразвуковой сканер работает в операционной среде Widows, обработка и хранение данных ультразвуковых исследований осуществляется в базе данных «Спектромед».



Выполнение КЭ «Спланх» включает запись в 2-х отведениях накожных потенциалов основных отделов желудочно-кишечного тракта (натощак, во время и после приёма стандартного завтрака) с использованием бортового гастроэнтерографа. Во время записи ЭГЭГ будут проведены ультразвуковые исследования органов и сосудов брюшной полости и сократительной способности желчного пузыря с использованием бортового эхографа «Сономед-К».



Эксперимент «Спланх» проводится в утренние часы, сначала натощак, потом после приёма пищи (в течение 2-х часов). Длительность сеанса эксперимента:

– подготовка 30 мин;
– выполнение эксперимента 4 часа (до завтрака – 60 мин, завтрак – 30 мин, после завтрака - 150 мин);
– заключительные операции 30 мин.

В предполётном периоде (фон) КЭ выполняется однократно, в интервале 90-30 суток до старта (в ходе занятий по обучению). В КП 2 раза за экспедицию, ориентировочно на 90-120-е 150-180-е сутки. После завершения КП на 2-е и 14-е сутки (выполняется постановщиком КЭ).

В проведении КЭ на МКС участвуют 2 космонавта. Исследование (гастроэнтерография и УЗИ) проводится у одного космонавта (обследуемый), а второй космонавт (помогающий) выполняет ультразвуковые исследования. Утром до завтрака первый космонавт наклеивает 5 электродов, включает на запись бортовой гастроэнтерограф и размещает его на поясе. Второй космонавт включает ультразвуковую систему «Сономед-К» и начинает проведение УЗИ натощак до завтрака (60 мин). Оба космонавта завтракают (запись ЭГЭГ продолжается). Через 30 мин после окончания завтрака продолжение УЗИ органов и сосудов брюшной полости в течение 120 мин. После завершения КЭ первый космонавт переносит файлы с результатами ЭГЭГ, второй – результаты УЗИ на бортовой компьютер для передачи на Землю по каналам связи.

Методика проведения УЗИ в КЭ предусматривает, что они будут выполняться не специалистом. Включение «Сономед-К» осуществляется нажатием на кнопку , расположенную на мониторной панели справа (рис. 3). При этом загорятся световые индикаторы включения, загрузится операционная система Windows и «Сономед-К» выйдет в В-режим сканирования. Откроется окно с областью ультразвукового В-изображения обновляющимся в реальном масштабе времени с экранными кнопками интерфейса регулировки сканирования «Сономед-К» (рис. 4), поверх которого расположится окно со списком областей исследований с предварительными установками (предустановками) режима работы для подключенного датчика (рис. 5). С помощью стрелки манипулятора выбрать одну из предустановок, например «Желчный пузырь» и нажать левую клавишу манипулятора – откроется окно с областью ультразвукового В-изображения обновляющегося в реальном масштабе времени с предустановкой для исследования желчного пузыря (рис. 4).



При подготовке КЭ накануне вечером следует провести маркировку результатов УЗИ обследуемого (если это не сделать, то прибор попросит это сделать при первом сохранении зафиксированного изображения). Для маркировки используется экранная кнопка «Новый пациент» или кнопка «Вызов архива», в левом нижнем углу (рис. 4). Маркировать следует каждый сеанс КЭ (например – «МКС-57 БИ-1 120 сут»). Завершается маркировка нажатием экранной кнопки «Закрыть» с выходом в В-режим сканирования, который в верхней строке будет иметь код экспедиции, выбранного космонавта и суток полёта.

Методика выполнения исследований сводится к последовательному выбору областей исследования согласно программе КЭ с автоматической загрузкой предустановок (например, «Желчный пузырь», рис. 5). Датчик располагается в зоне сканирования, представленной в методике (рис. 6). Проводится поиск и визуализацией органа (желчного пузыря), в соответствии с картиной, которая также представлена в методике (рис.7). Сохранение результатов УЗИ происходит в виде кинопетли при нажатии экранной кнопки «Кинопетля».



Из этой же области расположения датчика, при соответствующем выборе предустановок происходит визуализация печёночных, воротных вен, желчных протоков, исследование правой доли печени (рис. 8, 9).



Утром до завтрака, натощак, последовательно, открывая предустановки в соответствии с циклограммой, у первого (обследуемого) космонавта проводятся ультразвуковые исследования и фиксируются в памяти «Сономед-К» эхограммы: желчного пузыря, воротных, печёночных вен, поджелудочной железы, жидкости в желудке, пищевода, желудка, сосудов гастродуоденальной зоны.

Через 60 мин в ходе регистрации ЭГЭГ принимается завтрак. От окончания приёма пищи отсчитывается время 30 минутного отдыха, после которого в ходе записи ЭГЭГ продолжается проведение УЗ-исследований. Последовательно визуализируются и сохраняются в базе данных прибора эхограммы правой и левой доли печени, селезенки, слепой кишки, восходящего отдела толстого кишечника (рис. 10), прямой сигмовидной кишки, предстательной железы. Проводится пробная допплерография при исследовании кровотока в полой вене и аорте (рис. 11).



Завершает сеанс КЭ «Спланх» исследование органов и сосудов шеи. Визуализируются справа и слева доли щитовидной железы (рис. 12, 13), пищевод, сонные артерии, ярёмные вены.

После завершения каждого сеанса КЭ результаты ультразвуковых исследований, записанные в базу данных прибора, переносятся на бортовой компьютер для передачи их по каналам связи на Землю. Перенос осуществляется с использованием программы экспорта результатов исследований из базы данных в виде папки с файлами на рабочий стол «Сономед-К». На рабочем столе нужно открыть флеш-карту памяти «Спланх-2. Данные» (рис.14) и скопировать в неё экспортированную на рабочий стол папку с УЗ-исследованиями. Папку с результатами УЗИ с рабочего стола затем перемещают на диск D «Сономед-К» в папку УЗИ-МКС для хранения.



Для подготовки одного экипажа требуется 10 занятий. 6 занятий длительностью 2 часа (9:00-11:00) проводятся при участии 2-х космонавтов (основной экипаж и дублёры). На первом занятии космонавты должны быть ознакомлены с аппаратурой (укладками) и методикой проведения КЭ. На последующих 5 занятиях проводится последовательное обучение визуализации органов и сосудов брюшной полости в соответствии с бортовой методикой КЭ.

7- и 8-е занятие длительностью 4 часа 30 мин (8:00-12:30), проводятся обучение и тренировка последовательной визуализации органов и сосудов брюшной полости с попеременным участием в качестве исследователя сначала одного, потом второго космонавта (рис. 15). УЗ-исследования проводятся сначала натощак, потом после завтрака, в соответствии с 30-и минутными интервалами.

9- и 10-е занятие длительностью 4 часа 30 мин (8:00-12:30), совмещённые с проведением предполётных обследований КЭ, проводятся с последовательным участием в качестве исследователя в первый день одного, во второй - другого космонавта. Обследуемый отслеживает последовательность проведения УЗИ в КЭ. Исследователь (помогающий) совместно с постановщиком проводит визуализацию органов и сосудов брюшной полости, ориентируясь на текст бортовой методики КЭ (рис. 16). После завершения УЗИ отрабатывается сохранение файлов с предполётными исследованиями.

В ГНЦ РФ–ИМБП РАН проведена апробация методики проведения КЭ «Спланх» в эксперименте, моделирующем условия космического корабля, совершающего полёт к лунной орбите. В проведении КЭ «Спланх» участвовало 6 испытателей добровольцев, не специалисты в ультразвуковой диагностике, которые были разделены на пары. В паре каждый испытатель в один день был исследуемым, а на второй день - исследователем (помогающим проводить УЗИ). Обучение методике выполнения КЭ проходило за 2 занятия. Результаты эксперимента показали, что даже при такой минимальной подготовке ультразвуковые исследования по бортовой методике КЭ «Спланх» в автономном режиме были выполнены на 70-80%. Полученный опыт обучения и проведения методики УЗИ в условиях близких к КП позволяет предположить успешное выполнение КЭ «Спланх» на борту МКС.



Работа выполнена по теме Надежность-Наука ИМБП, договору №16-1313-2013-113/133-2014, п. 2.2.3 ТЗ от 29.07.2014 г. и Плану Фундаментальных исследований ГНЦ РФ–ИМБП РАН (тема №62.2).

Литература:

1. Смирнов К.В., Уголев А.М. Космическая гастроэнтерология. Москва, Наука. 1981. 276 с.
2. Smirnov K.V., Ugolev A.M. Digestion and Absorbtion. Space Biology and Medicine. V.3. Humans spaseflight. Book 1. M. Nauka. 1997. Р. – 211-230.
3. Смирнов К.В. Формирование гипокинетического синдрома пищеварительной системы в условиях невесомости // Физиологический журнал. 1992. Т. –78. No –8. С. – 93.
4. Афонин Б.В., Носков В.Б., Поляков В.В. Состояние пищеварительной системы в условиях длительного космического полета // Физиология человека. 2003. Т.29. No –5. С. –53.
5. Афонин Б.В. Анализ возможных причин активации экскреторной и инкреторной функции желудка и поджелудочной железы после завершения полетов на международной космической станции // Физиология человека. 2013. Т.39. №5. С. 62-70.
6. Афонин Б.В. Состояние экскреторной и инкреторной функции желудка и поджелудочной железы у экипажей МКС "Международная космическая станция. Российский сегмент". Москва. 2011. Т.– 1 С. – 143-148.
7. Смирнов К.В. Пищеварение и гипокинезия. Москва. Медицина. 1990. 224 с.
8. Афонин Б.В., Седова Е.А., Гончарова Н.П. Накожная электрическая активность желудка и кишечника в длительной антиортостатической гипокинезии // Физиология человека. 2007. т. – 33. №6. С. –100-104.
9. Афонин Б.В., Гончарова Н.П. Карамышев Ю.А. Функциональное состояние желудка в длительной антиортостатической гипокинезии // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2007. №6. С. –37-43.
   
10. Афонин Б.В., Седова Е.А., Гончарова Н.П., Соловьева А.А. Эвакуаторная функция желудочно-кишечного тракта в условиях 5-суточной сухой иммерсии // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2011. №6. С. – 52-57.
11. Афонин Б.В., Гончарова Н.П. Секреторная активность желудка при моделировании увеличенного кровенаполнения венозной системы брюшной полости // Авиакосмическая и экологическая медицина. М. 2009. №4. С. –39-42.
12. Афонин Б.В., Ермоленко А.Е., Иноземцев С.Л. Функциональное состояние печени при моделировании гемодинамических эффектов невесомости в организме человека //Физиология человека. 2012. Т. – 38. №4. С. –108-113.
13. Атьков О.Ю., Бедненко В.С. Гипокинезия, невесомость: клинические и физиологические аспекты. М. Наука. 1989. 304 с.
14. Агуреев А.Н., Афонин Б.В. Средства и методы подготовки космонавтов к проведению исследований состояния системы пищеварения на РС МКС. В кн. Материалы ХLIII Международных общественно-научных чтений, посвященные памяти Ю.А. Гагарина, г. Гагарин, 2016. С. –239-260.
    
15. Агуреев А.Н., Афонин Б.В. Проведение космонавтами исследований состояния пищеварительной системы в условиях космического полета на орбитальных станциях В кн. Материалы ХLIV Международных общественно-научных чтений, посвященные памяти Ю.А. Гагарина, Гагарин. 2017. C. –263-285.
16. Афонин Б.В., Азаров Я.Б., Гончарова Н.П., Седова Е.А., Валуев В.А., Черкасов Г.В. Методика накожной электрогастроэнтерографии // Авиакосмическая и экологическая медицина. М. 2003. №4. С. –35-38.
17. Афонин Б.В., Седова Е.А., Гончарова Н.П. Накожная электрогастроэнтерография в оценке изменений желудочно-кишечного тракта при различных углах наклона и длительности пребывания в антиортостатическом положении // Авиакосмическая и экологическая медицина. М. 2006. 6. С. –19-25.

Назад в раздел