Сен 09

Методы исследования возможностей человека

кандидат технических наук Саакянц Ю. А.

В Военно-воздушных Силах (ВВС) человек постоянно взаимодействует с различными системами вооружения, нет таких систем, с которыми бы он не был связан. Поэтому рациональная интеграция человека с системой вооружения зависит от его возможностей и представляет собой важную проблему. Для ее решения в лаборатории им. Армстронга (ВВС США) осуществляется большое количество экспериментов с использованием живых организмов: клеточных препаратов, беспозвоночных и позвоночных животных, включая млекопитающих, приматов и, когда это необходимо, человека. Наряду с живыми тканями и организмами широко применяются альтернативные методы исследования, основанные на использовании математических, физических и химических моделей. Эти методы, как правило, эффективнее традиционных, несмотря на их применение в строго определенной области исследования.

Ниже приведены научные программы, которые в настоящее время реализуются в исследовательской лаборатории им. Армстронга ВВС США.

1. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Программа токсикологических исследований начата в 50-х годах и в настоящее время ведется по двум направлениям:

1) определение токсичности опасных химических веществ и других материалов, применяемых в ВВС США и Министерстве Обороны;

2) разработка новых методов исследований, позволяющих быстро и точно определить токсичность веществ и материалов. Исследования проводятся с химическими и токсичными материалами, которые используются в новых системах вооружения. Определение токсической опасности материалов при разработке новых видов вооружения позволяет принимать решения на начальном этапе разработки.

Каждый год в ВВС США получают несколько сотен новых видов химических веществ. Стоимость работ по проведению токсикологического анализа каждого из этих веществ оценивается от 500 тыс. до 1,5 млн. долл. США и для проведения таких работ необходимо 2-3 года. Традиционные методы исследования требуют тысячи подопытных животных. Новые исследовательские программы направлены на разработку методов анализа, которые значительно снижают стоимость работ в целом, сокращают время их выполнения и позволяют существенно уменьшить число подопытных животных, либо обойтись без них.

Токсикологические и фармакологические модели

Эта программа была начата в 1979 г. и имеет целью создание компьютерных аналитических моделей, позволяющих прогнозировать риск для человека. Использование токсикокинетики и фармакологии позволило разработать математические модели, которые получили широкое применение в токсикологической программе. Эти модели позволили оценить человеческий риск по полученным результатам в опытах с животными. Был получен механизм прогноза возможных токсических эффектов по исходным данным.

Использование ядерного магнитного резонанса

Явление ядерного магнитного резонанса позволяет обнаружить изменения состава химических веществ в организме. На его основе разработан метод повторных испытаний с использованием одного и того же животного.

Явление ядерного магнитного резонанса используется для наблюдения за развитием опухолей у мышей с раковыми заболеваниями после их химического заражения. Эти животные являются контрольной группой, в то время как традиционный метод исследования раковых заболеваний предполагает наличие контрольной и нескольких подопытных групп, которые будут принесены в жертву во время длительного исследования.

Методы клеточных исследований

Использование клеточных препаратов в исследовательских работах было введено в токсикологическую программу 1980 г. В связи с тем, что печень является основным органом химического обмена и биотрансформации веществ за последнее десятилетие в лаборатории был разработан клеточный препарат печени (hepatocyte), который функционирует как печень в живом организме. Определение метаболизма с использованием клеточного препарата осуществляется за 4 ч. Проведенные опыты с клеточными препаратами почки крысы подтвердили эффективность данного метода. Полученные результаты будут использованы при разработке математических моделей.

В настоящее время достижениями в этой области являются методы исследования флуоресцентных проб, которые имеют повышенную чувствительность. Флуоресцентные пробы лучше показывают определенные метаболические процессы и механизмы окисления. Обычное исследование на животных занимает по крайней мере 2 года, используя же метод флуоресцентных проб, можно получить информацию через 4 дня.

2. БИОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для ВВС жизненно важным вопросом является успешное спасение экипажа при катапультировании. Наряду с критерием переносимости ударных воздействий (перегрузок) используются два дополнительных метода аналитического моделирования и испытания с манекеном. Компьютерные аналитические модели выдают данные о движении конечностей, ускорениях, усилиях в привязной системе и т. д. Для этих моделей входные данные получают в испытаниях с людьми, животными и, что более важно, с использованием антропоморфных манекенов. Использование механических манекенов началось сразу после второй мировой войны, когда мешки с песком применялись в испытаниях катапультных кресел. Для того, чтобы иметь точную и подробную информацию было принято решение об использовании механических манекенов, разработанных фирмой General Motors для анализа автомобильных аварий.

Однако в конце 1960 года выяснилось, что автомобильные манекены не удовлетворяют специфическим требованиям при катапультировании. Тогда в течение 1968-1971 годов был разработан антропоморфный манекен «Dynamic Dan», который имел динамические характеристики, соответствующие человеку при катапультировании.

Новые достижения в биомеханике и совершенствование измерительной техники позволили разработать манекен ADAM (Advanced Dynamic Anthropomorphic Manikin), который отражает динамику и кинематику человека под действием динамического напора, ударов и ускорений, имеющих место при катапультировании. Измерительное оборудование ADAM расположено внутри манекена и обеспечивает большую скорость получения, хранения и передачу необходимых данных.

Кроме антропоморфного манекена были разработаны две аналитические модели:

1) модель позвоночника и головы для прогнозирования реакции человека на ускорения, действующие во время катапультирования;

2) модель тела человека для прогнозирования движения человека и его конечностей.

Эти модели постоянно совершенствуются на основе новых данных, полученных при натурных испытаниях.

3. ТЕМПЕРАТУРНАЯ МОДЕЛЬ «BRNSIM»

Известно, что человек лучше переносит высокую температуру, если он одет в защитную одежду. При определении уровней защиты материалов обычно применяются:

1) испытание в «огненной яме»;

2) измерение воспламеняемости и передачи тепла одежды;

3) испытания с лабораторными животными;

4) прогнозирующие модели.

При испытаниях в «огненной яме» используется манекен из стекловолоконных материалов, который позволяет измерять максимальную температуру в огне. Поскольку в испытаниях не определяется реакция тела человека, то используется анестезированная свинья для измерения защитных свойств различных материалов. Данный метод испытаний справедлив только для выбранного материала и конкретных условий. Поэтому на основе опытов с животными была предпринята попытка разработки температурной компьютерной модели, которая моделирует процессы нагревания воды в тканях, тепловые потоки, изменение условий протекания крови и температурные изменения свойств тканей.

С помощью этой модели можно вычислить коэффициенты защиты различных материалов. Модель продолжает совершенствоваться для обеспечения прогноза глубины прогрева во всех возможных случаях. Для того, чтобы показать преимущества математического моделирования, можно привести такой пример: биологический метод испытания требует 20 свиней, 8-10 техников и около 3 месяцев, в то время, как эта работа с использованием моделей выполняется 1-2 техниками за 3-5 дней без использования животных.

4. ИСПЫТАНИЯ НА ВЗРЫВ

В лаборатории проводят исследования по определению возможных факторов нанесения ущерба здоровью летчика от взрыва без использования животных. К этим факторам прежде всего относятся локальные удары по телу, обгорание от огня или взрыва, токсичность продуктов горения, ударные давления, действующие на слуховой аппарат и легкие. Для оценки их влияния на летчика был произведен взрыв в кабине истребителя К-15 и осуществлены измерения температуры, давления и токсичности дыма с применением новейшей измерительной техники. Для определения силы локальных ударов был использован новый манекен «AIRMAN» (Aerospase Incapacitation Response Manikin). Данные по силе, глубине и месту нанесения удара были использованы для расчета характера повреждений летчика с помощью программы «COMPUTERMAN».

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ РАДИОЧАСТОТНЫХ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И МИКРОВОЛНОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

В настоящее время разрабатывается стандарт по оценке безопасности радиочастотных, электромагнитных и микроволновых, так называемых неионизационных излучений. Невозможность определения физиологических и метаболических изменений у животных на безопасных уровнях излучений вынуждает искать другие биологические эффекты, которые реагируют на самые небольшие дозы излучений. В 1983 году была начата разработка клеточных препаратов для этих целей.

По мнению американских специалистов метод клеточных исследований имеет некоторые преимущества над методами, требующими использование лабораторных животных, и позволяет:

1) определить орган, который подвергается токсическому или биологическому воздействию;

2) разработать биологическую систему, чувствительную к данному воздействию; 3 изучать внутриклеточные молекулярные изменения.

6. ЭКСТРАПОЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Экстраполяция данных, полученных в экспериментах с животными, является очень важным вопросом, особенно при исследованиях деятельности центральной нервной системы.

В настоящее время проводится исследовательская работа по применению данных, полученных в испытаниях с животными, в оценке реакции человека. В основе этого исследования лежит сравнение реакций животных и человека, полученных в тех же условиях. Некоторые воздействия, например медикаментозное, на людей и животных могут сравниваться напрямую, поэтому реакцию от действия больших доз на животных можно с достаточной степенью достоверности считать совпадающей с реакцией человека. Как считают американские ученые, эта программа получит дальнейшее развитие в интерпретации результатов в более сложных опытах.

7. ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕНОСИМОСТИ БОЛЬШИХ УСКОРЕНИЙ

Известно, что человек, теряющий сознание при действии ускорения равном 4G, может выполнить полет с перегрузкой 9G, применяя современные способы защиты от перегрузки. Но проблема по предотвращению потери сознания от действия перегрузки G-LOG (loss of conciousness) существует, т. к. полностью безопасную систему для ВВС США в настоящее время сделать не представляется возможным. Потеря сознания происходит из-за нарушений физиологической деятельности мозга и метаболической системы, следовательно, в исследовании должны участвовать живые организмы. Опыты с людьми могут проводиться только с ограничениями и на безопасном уровне, поэтому уже разработаны модели грызунов.

Исследования с животными в этой ситуации полностью соотносятся с экспериментами с человеком, т. к. потеря сознания имеет общую физиологическую базу.

В лаборатории разработаны модели свиньи и бабуина, которые использовались в исследовании по улучшению противоперегрузочных систем. Данные, полученные в этих исследованиях, были использованы при разработке требований физиологической переносимости перегрузок человеком и в какой-то степени позволили улучшить способ защиты от перегрузок, которые в настоящее время применяются в ВВС США.

В настоящее время разрабатывается кардиопульмонологическая математическая модель, которую предполагается использовать при разработке новых методов защиты от перегрузок. Ожидают, что эта модель поможет военным врачам в определении медицинских диагнозов у пилотов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования с использованием живых организмов доказали необходимость и важность таких работ в обеспечении боеготовности ВВС США. Командование ВВС США настроено против применения альтернативных нетрадиционных методов, которые в настоящее время вводятся в исследовательские программы. Поэтому в лаборатории им. Армстронга будут продолжать работы с небольшим количеством животных, особенно там, где результаты математических моделей являются ненадежными. Но в виду того, что в новых методах животные используются эффективнее, каждое исследование потребует меньшее их количество. Конечно результаты, полученные в опытах с испытателями, являются наиболее надежными и поэтому методы, ненаносящие ущерба здоровью людей будут применяться и развиваться, а люди смогут заменить лабораторных животных в большинстве биологических исследований.

Похожие статьи:

  1. Математические модели для описания реакций человека на воздействие ударного ускорения Модели, описывающие динамические реакции тела человека и опорно-связочного аппарата, могут...
  2. ВВС США остановили свои выбор на космическом скафандре для экипажа КК «Джеминай» Х.ДЭВИД Управление ВВС США заключило контракт с фирмой Дэвид Кларк...
  3. Радиоуправляемые модели для отпугивания птиц Впервые опыты по использованию радиоуправляемых моделей для отпугивания птиц проводились...

автор admin \\ теги:



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.