Анализ дыхательных упражнений при помощи биосенсоров

Основная цель данной статьи - показать, каким образом такие техники, как холотропное дыхание и метод Вима Хофа, могут воздействовать на физическое и психическое состояние человека.

Disclaimer: Данная статья приводится для ознакомления и из научного интереса. Я настоятельно не рекомендую практиковать подобное в течении длительного времени. Я не врач, и не могу проанализировать все возможные негативные воздействия от подобных техник. На себе я нашёл только некоторые негативные воздействия техники Вима Хофа, но я уверен, все подобные дыхательные техники могут оказывать разный эффект на тело человека, в частности, при наличии заболеваний дыхательной системы и сердечно-сосудистой системы.

Для того, чтобы объяснить почему я заинтересовалcя этими техниками, я привёл факты из личной истории. Поскольку они не влияют на основное содержание данной статьи, я выделил их как спойлеры, их можно смело пропускать, не боясь упустить ничего из статьи. В целом, весь следующий раздел "Предыстория" может быть пропущен, он объясняет мою мотивацию, но не содержит информации, касающейся темы напрямую.

Предыстория

Я начну с личной предыстории, и после перейду к предыстории известных дыхательных техник.

У меня было тревожное расстройство. Сейчас я уже не страдаю от него, но некоторые отголоски от причин, его сформировавших, дают знать о себе иногда и в текущее время.

В один момент мне также "посчастливилось" иметь ещё и тяжелый депрессивный эпизод.

При таких расстройствах отлично помогает психотерапия, которую я по глупости избегал вначале. Также очень хорошо помогают медикаменты, но их следует принимать под наблюдением врача. Однако, ещё до того как я обратился к этим методам, в один момент я осознал, что дыхательные техники также мне сильно помогают. И всё же я вам их не рекомендую, по крайней мере не такие.

На почве депрессии у меня началась бессонница. Одной бессонной ночью я решил попробовать холотропное дыхание. Я знал о нём давно, так как с интересом изучал в интернете разные дыхательные техники, после того как в возрасте 17-18 лет практиковал йогу в индийском посольстве.

Я решил не просто попробовать, а дышать так долго, сколько смогу. На моё удивление, уже через 5 минут мне стало существенно легче. На утро я повторил эксперимент - снова достиг результата. Попросил попробовать жену, ей тоже удалось ощутить изменения в состоянии. Потом я попросил попробовать товарища медика, и ему тоже удалось снять сильную нервозность. После этого я поверил в то что этот метод может работать и начал его исследовать.

Предыстория техник

Холотропное дыхание было изобретено психологом Станиславом Грофом. Он начал использовать его как замену внезапно запрещенному препарату, который он применял для лечения депрессии своих пациентов. Его наблюдение заключалось в том, что когда человек во время сеанса терапии, под воздействием запрещенного препарата начинал подбираться близко к травме - он начинал очень глубоко дышать. Это было положено в основу метода: пациентам предлагалась дышать глубоко во время сеанса психотерапии, вместо применения химических соединений.

Метод Вима Хофа был тоже разработан как метод лечения своей депрессии. В своё время Вим потерял жену, у него осталось четверо детей. Он занимался в то время йогой, и пытался толкать себя к своим лимитам, выполняя её на морозе. У него есть несколько мировых рекордов по пребыванию в холоде, как он говорит один из элементов его техники это дыхание.

Биосенсоры

Первой идеей исследовать этот феномен - была мысль моего товарища медика, который так же испытал на себе действие этих упражнений. Он предложил мне снять на время койку реанимации, где можно было бы делать постоянные заборы крови, и анализировать химический состав крови, а так же фиксировать множество других показателей при помощи прикроватного монитора пациента.

Идея блестящая, но к счастью для моего организма - я решил вначале попробовать не инвазивные методы исследования. К слову позже я нашёл подобные инвазивные исследования у Вима Хофа, которые немного мне объяснили гормональное воздействие подобных упражнений, о них будет сказано ниже.

Итак, первым прибором который я решил испытать, стал пульсоксиметр. Эти приборы стали очень популярны во время коронавирусной эпидемии, так как позволяли быстро и не инвазивно проверить уровень кислорода в крови,  что позволяло заподозрить коронавирус, если этот уровень опускался ниже границы 90%.

Самый мой первый пульсоксиметр был встроен в фитнес браслет:

Я долгое время не мог точно увидеть результат, потому что как оказалось результаты на пульсоксиметре немного запаздывают по отношению к субъективным ощущениям. Нужен был прибор, который снимает показания непрерывно, а не короткими сессиями. Однако в один из дней мне удалось увидеть что уровень кислорода падает немного. Тут важно отметить ещё один факт - я не только дышал интенсивно, но и после некоторого времени подобного дыхания осуществлял задержку дыхания. Как оказалось техника Вима Хофа включала этот пункт так же обязательно, но в ней так же было и продолжение, от которого я отказался.

Далее я вооружился всем что только мог. Для начала я купил несколько разных пульсоксиметров: китайских и не очень.

Приобрел дешевый ЭКГ, который работал на Arduino, и датчики гальванического сопротивления кожи, так же работавшие на Arduino.

Я собрал небольшое устройство, работавшее от OTG провода подключаемого к телефону:

Подобные устройства нельзя использовать подключенными к сети, особенно если речь идёт про ЭКГ. Устройство содержало таймер реального времени, слот для sd карты, куда в CSV записывались все данные. Я так же включил в него пару кнопок, для того чтобы можно было маркировать какие-то субъективные события.

К моему сожалению, я не смог раздобыть сертифицированное медицинское устройство с датчиком гальванического сопротивления кожи. Потому поверка соответствия не проводилась, и точность не гарантируется. На основе полученных данных делать обоснованные выводы о состояние здоровья нельзя, лучше проконсультироваться с врачом, а данные являются только основанием предположения.

#include <Wire.h>
#include "DS1307.h"

#include <SPI.h>
#include <SD.h>

const int GSR1 = A0;
const int GSR2 = A3;

const int BUTTON1 = 3;
const int BUTTON2 = 2;
const int VIBRO = 8;
const int SDCARD = 4;

DS1307 clock;

void loop(void) {

  unsigned long startEpoch = millis();
 
  int sensorValue1 = analogRead(GSR1);
  int sensorValue2 = analogRead(GSR2);
    
  int ECG = 0; //Hope for a better future, not to change CSV format
  
  Serial.println(sensorValue1);
  Serial.print(",");
  Serial.println(sensorValue2);

  int button1State = digitalRead(BUTTON1);
  int button2State = digitalRead(BUTTON2);
  int buttonState = 0;

  if (button1State == HIGH)
    buttonState |= 1;
  if (button2State == HIGH)
    buttonState |= 2;
  
  File logFile1 = SD.open("gsr.csv", FILE_WRITE);
  if (logFile1) {
    String cvs = String(startEpoch) + "," + String(sensorValue1) + "," + String(sensorValue2) + "," + String(ECG) + "," + String(buttonState);
    logFile1.println(cvs); 
    logFile1.close();
  }
  else { 
    Serial.println("Failed to open file");
  }
  
}


void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {;
  }
  clock.begin(); 
  
  pinMode(VIBRO, OUTPUT); 
  pinMode(BUTTON1, INPUT); 
  pinMode(BUTTON2, INPUT); 

  pinMode(53, OUTPUT);    

  Serial.println("SD:");
  if (!SD.begin(SDCARD)) { 
    Serial.println("initialization on 4 failed!");
    return;
  }
  
  Sd2Card card;
  if (!card.init(SPI_HALF_SPEED, SDCARD)) {
    Serial.println("SD_CARD_INIT_FAILED!");
    return;
  } else {
    Serial.println("SD_CARD_INITED.");
  }

  char currentTime[20];
  clock.getTime();
  File logFile = SD.open("gsr.csv", FILE_WRITE);
  if (logFile) { 
    sprintf(currentTime, "%02d.%02d.%02d-%02d_%02d_%02d",  clock.dayOfMonth, clock.month, clock.year, clock.hour, clock.minute, clock.second); 
    String ct = currentTime;
    logFile.println("Session started:");
    logFile.println(ct); 
    logFile.close();
  }
  else { 
    Serial.println("Failed_open_on_start!");
  }
}

#include <Wire.h>
#include "DS1307.h"

DS1307 clock;//define a object of DS1307 class
void setup()
{
    Serial.begin(9600);
    clock.begin();
    clock.fillByYMD(2013,1,19);//Jan 19,2013
    clock.fillByHMS(15,28,30);//15:28 30"
    clock.fillDayOfWeek(SAT);//Saturday
    clock.setTime();//write time to the RTC chip
}

Датчики гальванического сопротивления кожи позволяют оценивать состояние вегетативной нервной системы на основании электрической активности потовых желёз. В простонародье их называют датчиками стресса. Как говорил мне мой товарищ медик - подобные приборы используются, в том числе в психиатрии.

Так же я купил портативный энцефалограф, но его использование оказалось куда более сложным, из-за того что его удавалось использовать эффективно только в сидячем положении, а так же потому что извлечь информацию о трендах в энцефалограмме требуется осуществлять её дополнительную обработку. Потому к сожалению в этой статье об этом не будет сказано.

Наблюдения

Лучше всего показали себя датчики PPG и GSR.

Я сделал достаточно большое количество исследований, но я не хочу приводить их все, приведу только общий суммарный вывод. В данном разделе я опишу субъективные наблюдения и показания датчиков, а в следующем попытаюсь дать объяснение механизмов действия.

Первая фаза - интенсивное дыхание

Первое, что можно наблюдать на датчике PPG - учащение сердцебиения. Большинство наблюдений я проводил в лежачем положении, и изначальная ЧСС у меня колебалась в диапазоне 60-80 ударов в минуту.

Через некоторое время интенсивного дыхания носом, начинает возникать тахикардия: частота сердцебиение поднимается до 100-110 ударов в минуту. Если же дышать ртом максимально интенсивным образом - эти значения кажутся уже незначительными. Самые высокие показатели ЧСС, которые я у себя фиксировал, превышали 140 ударов в минуту.

На датчике GSR фиксируется падение электрической активности, буквально через пару секунд глубокого учащенного дыхания. И эти показатели продолжают падать очень долгое время, и потом удерживаются в низком положении.

Обычно на эту фазу у меня уходит от половины минуты до трёх минут.

Фаза вторая - задержка дыхания

Когда возникла устойчивая тахикардия, а уровень стресса очень сильно понизился - возникают благоприятные условия для задержки дыхания. Почему так происходит я объясню в следующем разделе, но вначале расскажу что происходит с организмом.

После задержки дыхания первые несколько секунд происходит подъём ЧСС.  Однако после этого она начинает падать, и опускается до изначальных значений, 60-70  ударов в минуту. При длительных экспериментах я достигал значений ниже 60 ударов в минуту.

В это время датчик GSR показывает небольшое колебание активности, она немного начнёт расти, но рост её будет не постоянным.

Через некоторое время - приблизительно через минуту начнётся падение уровня кислорода. Он будет постепенно падать до очень низких значений. Пульсоксиметры которые я использовал, позволяли фиксировать значения не ниже 50%. Вим Хоф говорил, что он наблюдал значения вплоть до 30%.

Я хочу отметить что это самая комфортная фаза эксперимента, дышать по-настоящему не хочется, и от этого возникает некоторый комфорт. Однако через некоторое время уровень CO₂ в крови начинает расти, и как следствие возникает желание сделать вдох - так как физиологическое желание дышать связанно не с уровнем кислорода, а с уровнем CO₂, можно сказать что желание дышать в человеке является следствием потребности избавляться от CO₂. В этот момент начинает расти как ЧСС, так и показания датчика GSR.

Таким образом можно достаточно долго не дышать. Рекорд, который я фиксировал с таймером, составлял чуть больше четырёх минут. После вдоха, особенно если сделать глубокий вдох - показатели ЧСС и уровня кислорода быстро восстанавливаются в исходные.

Обычно на эту фазу у меня уходит от одной минуты и больше.

Объяснение как это работает

На этапе глубокого дыхания происходит падение уровня углекислого газа, к сожалению я не смог найти доступный не инвазивный капнограф, потому это просто теория о которой я только читал. Однако именно этот фактор позволяет сделать долгую задержку дыхания комфортно.

Тахикардия увеличивает потребление кислорода. Я проверял этот эффект разными методами, самый безумный: я бегал по комнате с задержанным дыханием, чтобы поддерживать высокую ЧСС во время задержки. Уровень кислорода падает так значительно быстрее. Всё хорошо, я ни разу не упал без сознания, но вы пожалуйста так не делайте.

В результате падения уровня кислорода возникает торможение коры головного мозга. Это опять-таки не научное наблюдение, а информация с википедии по холотропному дыханию, а так же субъективное наблюдение. Благодаря этому удаётся замедлить поток мыслей, и как следствие ослабить тревожное или депрессивное состояние, хотя несомненно это не единственная причина изменения этих состояний.

Этот эффект я наблюдал особенно сильно про длительном холотропном дыхании от получаса. Я был предупрежден, что это может влиять на высшие отделы мозга, и потому придумал для себя методику, чтобы проверять когда этот эффект наступает. Я считал каждое дыхание когда доходил до 10 - поворачивал назад, до 1, потом считал от 2 до 11, снова назад, от 3 до 12 и так далее. И так доходил до 20, и начинал спускать счёт обратно. В какой-то момент я замечал что сложнее становится назвать в уме следующую цифру. Когда я не мог назвать 3 цифры подряд - для меня это был сигнал, что пора остановиться. Опять же повторюсь - я не рекомендую такие эксперименты делать на себе, я делал это окрыленный духом исследователя, специально чтобы потом рассказать другим людям.

Одновременно с этим во время фазы задержки происходит возможность лучше расслабить тело, и снять лишние физические напряжения, что так же понижает уровень эмоционального напряжения.

Так же важный эффект даёт фиксация внимания, техники фиксации внимания на дыхания используются, в том числе в когнитивно-поведенческой терапии. Поддерживать интенсивное дыхание требует хорошего ощущения тела, и концентрации ума. Я уверен, что одна только лишь концентрация ума может дать схожий эффект: падения уровня тревожности и депрессии.

В своё время технику Станислава Грофа сильно критиковал Константин Павлович Бутейко, разработавший методику неглубокого дыхания, для борьбы с астмой и гипертонией. В моём представлении оба они достигли существенных результатов, и несмотря на противоположность их методов у них есть кое-что общее: фиксация внимания на дыхании.

Подобная фиксация имеет большое значение в некоторых религиозных практиках. В йоге используют пранаяму. В Буддизме существует медитация Анапанасати, которая является непосредственно фиксацией внимания на дыхании. Венди Хазенкамп были сделаны исследования медитации в МРТ сканере, и они показали интересные результаты: при концентрации, потере внимания, восстановлении внимания и длительном его поддержании - были активные разные участки мозга. Несколько подобных исследований можно найти если погуглить тему исследования медитации.

Эксперименты проводимые другими людьми

Эксперименты, которые сделал на себе Вим Хоф показали так же, что происходит изменение состава крови. Первое, что больше всего привлекло меня: падает уровень кортизола - гормона стресса. И соответственно повышается уровень адреналина. Так же изменяется кислотно-щелочной баланс крови. Изменяется болевой порог.

Я признаю честно - я не настолько хорошо знаком с биологией и медициной, потому большую часть исследований я попросту не понял. Хотя отношусь к медицине с огромным уважением, так же как и к математике, и так же стараюсь изучать её по мере возможностей.

Вы можете самостоятельно ознакомиться с некоторыми исследованиями, уверен так же можно найти много других, я был доволен этим небольшим перечнем, и даже его изучил не полностью.

Исследование на английском языке, ещё одно исследование на русском языке, хронология исследований Вима Хофа. Исследования холотропного дыхания, сборник статей на тему холотропного дыхания. И ещё одно забавное исследование на тему холотропного дыхания.

Я находил в интернете информацию в отношении последнего сравнения, что этот эффект возникает именно от падения уровня кислорода, но я не могу ничего утверждать подобное уверенно, потому оставлю это просто на ваше рассмотрение.

Выводы

Техники дыхания могут оказывать положительный эффект на организм. Но не стоит считать что это панацея. Я настоятельно рекомендую относиться всем к таким техникам с настороженностью, и практиковать их только на свой собственный страх и риск или под наблюдением врача.

С моей личной точки зрения это может быть опасным. Я намеренно не стал описывать часть техники Вима Хофа, потому что нашёл в ней эффект который неблагоприятно сказывался на венах тазовой области. Хотя эта техника позволяла понизить артериальное давление и очень быстро успокоиться - я настоятельно её не рекомендую. Ещё раз повторюсь: я не стал описывать словесно в чем заключается её суть, чтобы никто не практиковал это.

На мой взгляд наиболее эффективный метод, который не имеет никаких побочных эффектов - это просто фиксация внимания на дыхании. Однако если вы испытываете сильный стресс или очень глубокое депрессивное чувство - несколько глубоких вдохов и полных выдохов может помочь его облегчить.

На этом всё! Я давно хотел осветить эту тему, к сожалению получилось менее научно чем я об этом мечтал, но надеюсь некоторая информация была интересна для размышления и может быть даже полезна кому-то. Теперь сделаю глубокий вдох и с облегчением выдохну :)

Если у кого-то есть смежная информация, пожалуйста присылайте её в комментарии или личные сообщения!

Спасибо большое за уделенное внимание!