favicon3

Погружные NIRS: лаборатория под водой

PORTALITEPORTALITE APPLICATIONS

Авторы: Dr. Chris McKnight, Eric Mulder MSc. and Mathijs Bronkhorst MSc.

В 2016 году др. Крис Макнайт обратился к компании Artinis, производителю NIRS (спектрометры ближней инфракрасной области) с идеей провезти измерения с помощью NIRS на диких животных под водой. Первоначально был некоторый скептицизм, так как устройства не предназначены для подводных измерений, не говоря уже о диких животных. Однако, сама задумка понравилось, это был новый вызов, поэтому вместе с Исследовательским отделом морских млекопитающих (SMRU) Университета Сент-Эндрюса команда Artinis создала погружной NIRS-датчик специально для морских тюленей.

Мы начали разработку прибора PortaLite специально для тюленей. Мы не долго задумывались над названием, поэтому прибор получил название PortaSeal. Это устройство имеет значительно меньший размер сенсора, что позволяет минимизировать его влияние на естественное поведение морских животных в привычной им среде обитания. Кроме того, были изменены оптические свойства датчика, чтобы иметь возможность проводить исследования через толстый жировой подкожный слой тюленей. Проведя совместную испытательную работу со специалистами SMRU, сенсор PortaSeal был впервые гидроизолирован и успешно прошел первые испытания на погружение. Первоначально были подмечены некоторые забавные сбои, одной из причин которых являлась сама подопытная особь – тюлень практически срывал головку сенсора с блока управления. После проведения ряда испытаний выяснилось, что почти каждый компонент датчика, за исключением корпуса, был заменен хотя бы один раз. Это пример недюжинного упорства инженеров и сотрудников из SMRU, которое они проявили, прежде чем начать проводить инновационные исследования. Усилия стоили того, как только были получены первые данные, стало ясно — результаты ошеломляющие. Степень оксигенации и реоксигенации тканей морских котиков чрезвычайно высока, а PortaSeal отлично справляется с задачей.

Фото предоставлено Jessica Kendall-Bar. Молодая особь северного морского тюленя, оснащенного устройством PortaSeal в рамках эксперимента, проведенного Джессикой Кендалл-Бар, и докторами Дэн Коста и Терри Уильямс в лаборатории Long Marine UC Santa Cruz.

Данные, полученные с помощью PortaSeal, были опубликованы в рецензируемых изданиях PLOS Biology и в NewScientist. С помощью устройства PortaSeal были исследованы процессы оксигенации тюленей, показав, что тюлени могут инициировать внутренние реакции в тканях, наблюдающиеся при погружении животных без необходимости самого процесса погружения под воду. Данные показали, что морские тюлени находятся в режиме сохранения кислорода еще до момента погружения под воду, поскольку они проводят около 90% своего времени под водой, задержав дыхание.

Последние месяцы проф. McKnight работая вместе с проф. Erika Schagatay и магистром Eric Mulder, провели ряд исследований с целью сравнения реакции мозга на погружение у тюленей с мировыми рекордсменами по фридайвингу в рамках большого проекта в Университете Mid Sweden University. Известно, что лучший фридайвер в мире способен нырнуть на глубину 130 метров (текущий мировой рекорд) на одном дыхании. Понять, как дайверы справляются с чрезвычайной ненасыщенностью крови кислородом (сатурация) – это одна из интереснейших областей изучения. Для изучения дайверов был создан принципиально новый датчик на основе дизайна PortaSeal, который получил название PortaDiver. Система PortaDiver была адаптирована специалистами из SMRU для установки в водонепроницаемый корпус и теперь может включаться и управляться с помощью магнитных переключателей. Было доказано, что система способна работать при подводном давлении, эквивалентному 100 метрам.

Рис 1: Магнитный выключатель питания для системы PortaDiver
Рис 2: Тестирование устройства на работоспособность под высоким давлением

В последствии размеры и вес датчика PortaDiver были еще больше уменьшены, чтобы сделать его максимально удобным для дайверов. Кроме того, система PortaDiver может сохранять данные во внутренней памяти и впоследствии передавать их по Bluetooth после завершения тестов погружения. На фотографиях виден датчик, надетый на голову Мигеля Лозано и Алексея Молчанова, непосредственно сам блок управления крепится сзади гидрокостюма дайверов.

Фридайверы стремятся достичь заданной глубины под водой на одном дыхании воздуха, ориентируясь по вертикальной линии, используя один из следующих методов: ныряние с плавником или без него, второй вариант — это свободное погружение, когда дайвер использует свои руки для перемещения вдоль троса. В начале погружения фридайверы активно плывут или спускаются вниз с помощью рук, по прошествии времени дайвер становится отрицательно плавучим, после этого начинается свободное «падение» дайвера на дно. Достигнув глубины около 100 метров, дайвер разворачивается и начинает медленно всплывать. Исследовательская группа университета Швеции Mid Sweden University под руководством профессора Erika Schagatay работает с фридайверами уже несколько десятков лет. В настоящее время группа работает с лучшими фридайверами, такими как нынешние рекордсмены мира Alexey Molchanov и Miguel Lozano.

PortaDiver дает представление о способности человека к фридайвингу и, кроме того, о возможной высокой толерантности к гипоксии у людей, занимающихся фридайвингом. В видеоролике представленном ниже, представлены мировые рекорды по фридайвингу во время чемпионатов мира AIDA (AIDA world championships), а также мировой рекорд Алексея в погружении на 130 метров.

Чемпионат мира AIDA 2019 года в Вильфранш-сюр-Мер. В дисциплина с постоянным весом. https://www.aidainternational.org

https://www.youtube.com/embed/wWZGNfGt76g

Задержка дыхания неизбежно ведет к десатурации артериальной крови, что может привести к потере сознания у дайвера, так называемому «затемнению». Риск потери сознания повышается при гипервентиляции легких перед погружением, поскольку учащение дыхания невозможно из-за снижения уровня СО2 (рис. 3). Во время подъема из глубокого погружения, атмосферное давление уменьшается, одновременно с этим легкие, которые были сжаты под воздействием давления, возвращаются к своим нормальным размерам. Такое увеличение объема легких приводит к тому, что парциальное давление кислорода очень быстро уменьшается, особенно во время последних метрах подъема, и именно здесь риск «отключиться» является наиболее острой проблемой. Международные чемпионаты всегда проводятся вместе с тренированными дайверами и медицинским персоналом готовым оказать первую помощь, если фридайвер потерял сознание и начал тонуть.

Рисунок 3: График наглядно показывает, почему так важно избегать гипервентиляции перед погружением, и как это может увеличить риск потери сознания из-за гипоксии. Риск «отключиться» повышается при гипервентиляции перед погружением, поскольку дыхание задерживается из-за падения уровня CO2.

Ежегодно утопают около 140 000 человек, причем около 20% из них случаются из-за потери сознания под водой [1]. Целью проекта университета Mid Sweden University является улучшение понимания физиологии погружения фридайверов и уменьшение риска потери сознания, система PortaDiver может предоставить ученым уникальные данные о церебральной перфузии во время погружений под воду с задержкой дыхания.

Литература:

[1] Brothers, Alex (2018). Shallow Water Blackout (SWB). Swimming Canada Natation.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Freediving_blackout

Поделитесь ссылкой эту страницу

Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в vk
VK
Поделиться в telegram
Telegram
Поделиться в whatsapp
WhatsApp
Поделиться в odnoklassniki
OK
Поделиться в email
Email
favicon3
Похожие статьи

Исследования физических нагрузок с помощью интегрированных систем NIRS, ЭКГ и ЭМГ

PORTAMON «Если расскажешь, то я забуду. Если объяснишь, то возможно я вспомню. Вовлеки меня, только тогда я научусь». Именно такому правилу из сборника конфуцианских философских

Читать полностью »

Неврологи нашли способ быстрого восстановления мозга после инсульта

Ученые научного центра здравоохранения Университета Техаса в Хьюстоне, работая над восстановлением мозга после инсульта, обнаружили причину последствий появления тромбов — дисфункция так называемых Х-рецепторов. Х-рецепторы,

Читать полностью »

Необходимость точности или дьявол в деталях: использование PsychoPy для представления стимулов и использование программы OxySoft для запуска прецизионных измерений

Brite, OctaMon, OxyMon, PortaLite Представим, что Вы подготовили NIRS систему и уже подумали о протоколе измерений для вашего следующего эксперимента. У вас есть четкое представление

Читать полностью »

Эксклюзивный представитель бренда Artinis

Компания Спектральные Системы является эксклюзивным дистрибьютором нейровизаулизационного оборудования Artinis Medical System BV на территории России, Белоруссии, Украины и Казахстана. Наша компания ведет полный цикл послепродажного

Читать полностью »
Обратная связь
Мы свяжемся с вами в течение 15 минут