Способ определения функционального состояния сердечно- сосудистой системы при физической нагрузке по взаимодействию кислородтранспортной и кислородутилизирующей систем организма человека

 

Способ неинвазивной диагностики функционального состояния кислородтранспортной и кислородутилизирующей систем организма человека заключается в том, что испытуемому задают циклическую физическую нагрузку ступенчато-возрастающей интенсивности в зоне аэробно-анаэробного перехода, симметрируя ступени нагрузки относительно ступени проявления анаэробного порога (АнП), которая в свою очередь определяется в предварительном тестировании. Непрерывное измерение и вычисление ЧСС, V_E, VO₂, VCO₂, ExcCO₂, O₂- П, V_E/VO₂ на трех, четырех ступенях нагрузки перед АнП, затем измерение и вычисление этих же кардиореспираторных показателй на последующих трех, четырех ступенях нагрузки, превышающих АнП, в дальнейшем предоставляет возможность вычисления коэффициетов регрессии показателей, полученных до АнП (включая данные ступени проявления АнП9 и после АнП (начиная с данных ступени проявления АнП и их сопоставления. Критериями оценки взаимодействия центрального и периферического звеньев кровотока в системе транспорта кислорода в организме являются результаты сопоставления скоростей изменения перечисленных физиологических показателей.

Изобретение относится к области диагностики в физиологии спорта, физиологии труда, спортивной медицине, лечебной физкультуре, фармакологии (опробование фармсредств).

В качестве прототипа выбран тест Мюллера, который заключается в определении LPI - работа, пульс, индекс. При этом задается велоэргометрическая нагрузка. Первые 2 мин педалирование производится без внешнего сопротивления, т.е. мощность нагрузки равна нулю. Начиная с 3 мин, включается внешняя нагрузка в 60 кгм·мин^-1, которая непрерывно линейно увеличивается в течение 10 мин (рамповая нагрузка) и составляет в конце 600 кгм·мин¹, т.е. прирост нагрузки составляет 60 кгм·мин^-1 в минуту. Частота сердечных сокращений (ЧСС) измеряется на каждой минуте. Далее по полученным значениям ЧСС вычисляется коэффициент регрессии общепринятыми статистическими методами.

При неимении устройства, управляющего линейным повышением мощности нагрузки, можно вручную регулировать ее нарастание, Для этого выполняется условно рамповая нагрузка. Она должна иметь непрерывный, но ступенчато-повышающийся характер. Повышение мощности каждой ступени в этом случае не превышает 50 кгм·мин^-1, а длительность работы на каждой ступени 30 с. Для вычисления коэффициента регрессии берутся значения ЧСС на каждой ступени нагрузок. Коэффициент регрессии и является критерием оценки работоспособности, по которому проводят диагностику.

У здоровья нетренированных мужчин значения LPI колеблются до 2,0 до 3,5. Величина от 4,0 и выше свидетельствует о низкой работоспособности. Результаты теста характеризуют только регуляцию сердечной деятельности при увеличивающейся нагрузке и оценка однозначна (хорошо-плохо). Результаты тестирования зависят от собственного веса испытуемого, при этом, коэффициент корреляции 0,78.

При равномерном увеличении интенсивности внешней нагрузки в определенный момент, соответствующий уровню анаэробного порога (АнП), происходит изменение многих кардиореспираторных показателей, про динамике которых диагностирует АнП. Наблюдается также изменение крутизны нарастания ЧСС и потребления кислорода.

Это происходит по двум причинам. Во-первых, достижению и превышению работы на уровне АнП соответствуют изменения микроциркуляции крови в периферическом звене кровотока, в связи с подключением массы более быстрых мышечных волокон. При этом меняются условия венозного возврата. Во-вторых, рекрутирование более быстрых мышечных волокон, где основным энергетическим механизмом является аэробный гликолиз, резко увеличивает захват кислорода работающими мышцами, что влечет за собой увеличение потребления кислорода. Если в этот момент начинают вовлекаться в работу преимущественно быстрые мышечные волокна с анаэробным гликолитическим механизмом энергообеспечения, то рост потребления кислорода замедляется, а подкисление крови идет более интенсивно.

Вероятно также, что изменения в динамике ЧСС и VO₂ могут быть взаимосвязаны, но это обнаруживается не всегда, а механизм их взаимной регуляции не поддается учету.

Таким образом, вкратце изложенное физиологическое явление, связанное с перестройкой во взаимодействии центрального и периферического звена кровотока при преодолении интенсивности работы, условно называемой АнП, берется за основу в построении теста.

Заявленное изобретение решает задачу оценки эффективности адаптивной реакции, позволяющей определить состояние функциональной готовности системы кровообращения к циклической физической нагрузке, т.е. оценить эффективность адаптивной реакции организма на циклическую физическую нагрузку нарастающей мощности посредством данных о взаимоотношениях центрального и периферического звена кровотока в системе транспорта кислорода, полученных неинвазивными методами. При этом сопоставляется активность центрального и периферического звена, которые одновременно показывают активность системы транспорта и утилизации кислорода работающими тканями. В результате получается оценка функциональных возможностей организма не однозначная, а дифференцированная по эффективности мобилизации функциональных резервов организма. Как следствие определение типа реакции дает возможность уточнения диагноза и прогноза состояния, а также оценки эффективности лечебно-профилактических мероприятий с дозированными физическими нагрузками.

Способ осуществляется следующим образом. Проводится предварительное тестирование для определения АпН посредством предъявления равномерной, ступенчато-повышающейся беговой нагрузки на тредмилле и непрерывной регистрации традиционных кардиореспираторных показателей любым современными методами, стандартным оборудованием. Длительность ступени 3 мин, интервал отдыха 1 мин, дискретность увеличения скорости бега 0,1 м·с^-1. Непрерывно регистрируются и вычисляются ЧСС в 1 мин. процент потребления кислорода, процент выделения двуокиси углерода, легочная вентиляция (V_E мл·мин^-1, потребление кислорода (VO₂) мл·кг^-1 мин ^-1, выделение двуокиси углерода (VCO₂) мл·мин^-1·кг^-1, дополнительной двуокиси углерода (ExcCO₂) мл·мин^-1·кг^-1, кислородный пульс (O₂-П), вентиляционный эквивалент (V_E/VO₂). В расчеты берутся средние показатели, зарегистрированные на 3 мин каждой ступени нагрузки. По данным V_E определяется ступень, на которой обнаруживается АнП. В редких случаях, когда АнП по измерениям V_E трудно определяется, анализируются другие показатели, согласно устоявшимся концепциям. Например, АнП можно также определить по динамике V_E/VO₂, ExcCO₂.

Предварительное тестирование проводится за 2-3 дня до основного тестирования, если человек впервые подвергается обследованию. Если АнП известен, то предварительного тестирования можно не проводить.

Основное тестирование проводится теми же средствами и с теми же условиями, что и предварительное тестирование. Непрерывно регистрируются перечисленные выше физиологические показатели. Длительность равномерного бега на каждой ступени нагрузки 3 мин, интервал отдыха между ступенями 1 мин. Первая ступень нагрузки задается испытуемому со скоростью на 0,3 м·с^-1 меньше, чем скорость ступени проявления АнП в предварительном тестировании, с тем расчетом, чтобы после окончания тестирования ступень нагрузки, на которой проявляется АнП, оказалась средней по порядку предъявления. Вторая ступень: скорость бега на 0,1 м·с^-1 выше, чем на 1-й ступени нагрузки, или на 0,2 м·с^-1 ниже предполагаемой скорости проявления АнП. Третья ступень: скорость бега на 0,1 м·с^-1 выше, чем на предыдущей ступени, и на 0,1 м·с^-1 ниже предполагаемой скорости проявления АпН. Четвертая ступень: скорость бега на 0,1 м·с^-1 выше, чем на предыдущей ступени, или равна скорости вероятного АнП. Пятая ступень: скорость на 0,1 м·с^-1 выше скорости проявления АнП. Шестая ступень: скорость бега на 0,1 м·с^-1 выше, чем на предыдущей ступени, или на 0,2 м·с^-1 больше, чем скорость проявления АнП. Количество ступеней определяется количеством получения достоверных данных до скорости АнП и симметрично после проявления АнП, т.е. минимум пять ступеней, максимум семь ступеней беговой нагрузки. Ступень проявления АнП определяется по динамике V_E, динамика легочной вентиляции (V_E) - по мере нарастания нагрузки.

Далее определяется тангенс угла наклона линии регрессии показателей ЧСС, VO₂, O₂= П, ExcCO₂, полученных на первых трех-четырех ступенях нагрузки, включая ступень скорости АнП. Определяется тангенс угла наклона линии регрессии тех же показателей, полученных на последующих трех-четырех ступенях нагрузки, начиная со ступени проявления АнП.

После этого делается заключение. Здесь и далее для всех вычислений использовались IBM совместимые компьютеры и стандартный набор программ STATGRAPHICS Statistical Graphics System, версия 2,6 - 2.10.

Наиболее эффективную реакцию на нагрузку (классифицируем ее как состояние А) характеризует такое соотношение скоростей нарастания ЧСС и VO₂ (40,31±2,39; 6,76±3,08 соответственно), при которых скорость увеличения O₂-П до проявления АнП или равна 0 или отрицательна (-0,051±0,016), в редких случаях она может быть положительной. С превышением АнП скорость нарастания VO₂ значительно увеличивается (19,47±1,84) и одновременно уменьшается скорость нарастания ЧСС (29,43±2,16), которая определяет максимальное (для данного лица) увеличение скорости нарастания O₂-П (0,47±0,009) по сравнению с допороговым значением. При этом, если скорость нарастания ExcCO₂ увеличивается по сравнению с допороговым значением, то считать, что усиление интенсивности внешней работы (бега) идет за счет увеличения доли включения мышечных волокон быстрого типа (с участием анаэробного гликолиза), но если скорость нарастания ExcCO₂ не увеличивается, а уменьшается с превышением АнП, то интенсификация внешней нагрузки обеспечивается значительным увеличением доли участия мышечных волокон промежуточного типа (среднестатистические значения динамики ExcCO₂ до АнП и после его превышения соответственно 12,23±1,73 и 6,77±1,42).

Неэффективная реакция на нагрузку (состояние В) характеризуется относительно высокой скоростью нарастания ЧСС до АнП, а с превышением его наблюдается ее снижение. При этом, увеличение VO₂ c нарастанием нагрузки идет достаточно быстро до АнП, а после преодоления АнП скорость ее нарастания значительно замедляется, что определяет отрицательную скорость изменения O₂-П до АнП, а с превышением его отрицательная скорость O₂=П еще более увеличивается, одновременно скорость изменения ExcCO₂ может увеличиваться с превышением АнП.

Имеются случаи, когда изменения O₂=П до проявления АнП положительны. Такая картина наблюдается, если скорость увеличения VO₂ высока. С превышением АнП скорость изменения O₂=П становится отрицательной за счет значительного снижения скорости нарастания VO₂. При этом динамика ExcCO₂ характеризует различную долю участия в работе медленных, промежуточных и быстрых типов мышечных волокон.

Перечисленные типы реакций характеризуют континуум состояний кислородтранспортных и кислородутилизирующих механизмов при циклической физической нагрузке, начиная от наиболее эффективной комбинации их включения для поддержания внешней работы (состояние А) до наиболее неэффективного их сочетания (состояние В), а также состояний, при которых высокая эффективность взаимодействия механизмов энергообеспечения сохраняется только до определенной интенсивности нарастающей нагрузки (примерно до скорости проявления АнП, т.е. состояние С. Естественно существуют и промежуточные типы реакций, например состояние, стремящееся к А (_→ A) или состояние стремящееся к В (_→ B) , т.е. характеризуются изменения состояний механизмов энергообеспечения в сторону лучшей или худшей их комбинации по сравнению с предыдущими измерениями. Динамика состояний особенно отчетливо прослеживается при лонгитьюдиональных обследованиях одних и тех же лиц.

Как результат максимальная эффективность по данным тестирования указывает на возможность максимальной мобилизации функциональных резервов и соответствующую реализацию функциональных возможностей организма человека, т.е. возможность получить максимальный функциональный результат. С другой стороны, крайне неэффективная реакция по результатам тестирования свидетельствует о невозможности мобилизации всех функциональных резервов, сводит к минимуму реализацию функциональных возможностей и быстрому отказу от специальной циклической работы.

Предлагаемый способ диагностики, определяя тип реакции, дает возможность уточнения диагноза состояния, а также оценивая эффективности лечебно-профилактических мероприятий с дозированными физическими нагрузками. Предлагаемый способ дает возможность использования его при опробывании фармсредств. Применение фармсредств, прямо или косвенно влияющих на кардиодинамику или периферический кровоток и различные факторы, изменяющие утилизацию кислорода тканями, обнаруживается в типе адаптивной реакции.

Пример 1. Испытуемый Б.С. многократно обследовался с целью определения АнП. Тестирование проводилось следующим образом. Равномерная, ступенчато-повышающаяся беговая нагрузка выполнялась на тредмилле. Длительность нагрузки 3 мин, интервал отдыха 1 мин. Первая ступень задавалась со скоростью 4,4-4,5 м·с^-1, каждая следующая ступень выполнялась на 0,1 м·с^-1 быстрее предыдущей. Непрерывно регистрировались и вычислялись традиционные кардиореспираторные показатели: ЧСС, V_E, %O₂, %CO₂, VO₂, VCO₂, ExcCO₂, O₂-П, V_E/VO₂. У испытуемого Б.С. при последнем тестировании АнП проявился на скорости 4,8 м·с^-1.

Данное тестирование состояло из шести ступеней беговой нагрузки с тем расчетом, что на ступени, выполняемой со скоростью 4,8 м·с^-1, проявился АнП.

Учитывая динамику и нагрузку 4,8 м·с^-1 - ступень проявления АнП 0 при помощи обычных статистических методов, по данных ЧСС, VO₂, O₂- П, полученным на 1-3-й ступенях нагрузки, определяем скорость изменения каждого из показателей. Далее определяет скорость изменения этих ж6е показателей, полученных на 3-5-й ступенях нагрузки. Заключение. Реакция на нагрузку удовлетворительная (тип А). Скорость изменения O₂=П при работе с интенсивностью выше АнП становится положительной (меняется от -0,05 до 0,05). Это происходит за счет снижения скорости нарастания ЧСС (от 55,0 до 35,0) и сохранения высокой скорости нарастания VO₂ (до АнП 15,5 после АнП 15,0). Работа с интенсивностью выше АнП обеспечивается подключением мышечных волокон с анаэробным гликолизом энергообеспечения, скорость нарастания ExcCO₂ увеличивается от 10,5 до 16,0. Взаимодействие центрального и периферического звена системы транспорт кислорода согласованное, реакцию на нагрузку можно считать эффективной.

При таком типе реакции (А) обследуемому можно дать циклическую физическую нагрузку максимальной интенсивности и длительности, на какие он способен в данный период тренировочного процесса (если это, например, бегун на длинные дистанции). Любая нагрузка вызовет наиболее адекватную реакцию рассматриваемых нами функций, окажет максимальный тренирующий эффект. Следовательно, это самый благоприятный момент для предъявления специальной тренировки с большими энергозатратами.

Этот же испытуемый в другом обследовании, проведенном через день. Шесть ступеней нагрузки в том же диапазоне скоростей, что и раньше. По динамике V_E определяем АнП. Анаэробному порогу соответствует скорость бега 4,9 м/с, поэтому динамику всех показателей рассчитываем по результатам, полученным на 2, 3, 4- и 4, 5, 6-х ступенях нагрузок. Заключение. Реакция на нагрузку неудовлетворительная (тип В). Скорость изменения O₂-П отрицательная после превышения АнП и изменяется от 0,0 до -0,05. Несмотря на то, что скорость нарастания VO₂ после АнП значительно увеличивается (от 2,0 до 20,5), сохраняется высокая скорость нарастания ЧСС (35,0 до АнП и 45,0 после его превышения), что неэффективно. Взаимодействие центрального и периферического звена в системе транспорта кислорода несогласованное.

При таком типе реакции (В) обследуемому необходимо в этот день предложить нагрузку ограниченной интенсивности. Несмотря на то, что потребление кислорода и его захват тканями высокий с превышением АнП, насосная функция сердца усиливается за счет нарастания хронотропии и дилятация полостей ограничивается.

Пример 2. Испытуемый Х.В., тестирование проведено 9.02.89 и 11.02.89. Класс спортсмена позволяет предложить, что АнП проявится на скорости бега 5,0 - 5,2 м·с^-1. Дается семь ступеней нагрузки. По динамике V_E определяем АнП. Он равен 5,2м·с^-1. По результатам тестирования, полученным на 3-5 и 5-7-х ступенях нагрузки, вычисляем скорость изменения перечисленных показателей. Заключение. Динамика O₂-П однонаправлено отрицательная (до АнП -0,1, после АнП - 0,05), несмотря на то, что скорость VO₂ после АнП значительно возрастает (до АнП -5,5, после АнП 16,5). Скорость нарастания ЧСС значительно увеличивается (от 25,0 до 55,0), что в целом неэффективно, большое потребление кислорода в этот день у данного человека обуславливает и медленное нарастание его потребления перед АнП (нарастание практически стабилизируется). Обеспечение внешней работы идет за счет рекрутирования быстрых мышечных волокон гликолитического типа. Поэтому и значительна скорость увеличения ExcCO₂ до АнП. После превышения работы с интенсивностью АнП скорость потребления кислорода увеличивается, но это сопровождается значительным усилением работы сердечного насоса, что, как было уже сказано, неэффективно.

При этом обнаруживается снижение скорости ExcCO₂(она становится даже отрицательной), что объясняется началом включения утилизации лактата или печенью, или мышечными волокнами медленного типа, но одновременно может происходить активная диффузия кислорода в работающие ткани на уровне артериол. Вероятно также, что у данного индивидуума последний механизм утилизации кислорода как раз и объясняет очень высокое его потребление.

Этот же испытуемый Х.В. через день. Выполнено девять ступеней нагрузки. По динамике V_E определяем АнП на скорости 5,2 м·с^-1. Вычисления проводим по результатам, полученным на 1-4-х, а затем на 4-7-х ступенях нагрузки. Заключение. Реакция на нагрузку удовлетворительная (тип А). Скорость нарастания O₂=П как до АнП, так и после его превышения положительная (до АнП 0,03, после 0,09). Скорость нарастания VO₂ высокая до АнП 21,7 и еще более увеличивается после его превышения - 24,5. Скорость нарастания ЧСС с превышением АнП снижается (от 40,0 до 27,0). Постоянная скорость нарастания ExcCO₂ в положении всей нагрузки свидетельствует о равномерном подключении более быстрых мышечных волокон по мере увеличения нагрузки. Взаимодействие центрального и периферического звена системы транспорта кислорода согласное, реакция на нагрузку очень эффективная. При таком типе реакции можно дать снова максимальную по интенсивности и длительности нагрузку.

Пример 3. Испытуемый П.М., тестирование проведено 10.03.89. По динамике V_E определяет АнП на скорости 5,1 м·с^-1. Вычисление скоростей нарастания необходимых показателей проводим по результатам, полученным на 1-4-х, а затем на 4-7-х ступенях нагрузки. Заключение. Реакция на нагрузку удовлетворительная до АнП (тип С). Скорость нарастания O₂-П до АнП положительная (0,03), а с превышением его отрицательная (-0,08). Это происходит вследствие значительного снижения скорости нарастания VJ₂ после АнП (до АнП 27,0 после - 6,1), несмотря на снижение скорости нарастания ЧСС (до АнП 56,0 после АнП 40,0). Скорость нарастания ExcCO₂ значительно увеличивается (от 0,02 до 17,3), что в сочетании с малой скоростью нарастания VO₂ после АнП можно объяснить подключением мышечных волокон с анаэробным гликолизом для поддержания внешней работы. Взаимодействие центрального и периферического звена системы транспорта кислорода несогласованное, реакция на нагрузку эффективна до скорости проявления АнП.

Если мы выясняем воздействие каких-либо фармсредств на человека, то проведя первую (фоновую) процедуру тестирования без введения препарата и определив тип реакции в последующем тестировании с введенным препаратом, видим, за счет каких механизмов изменяется эффективность. Провести это тестирование необходимо тут же, поскольку на следующий день фоновый тип реакции будет иным по самым разным причинам. Изменится или регуляция сердечной деятельности или регуляции потребления кислорода, или поменяется участие различных типов мышечных волокон, а следовательно, капиллярный кровоток и т.д. Это исключительно важно, если речь идет о препаратах, создаваемых для поддержки процесса адаптации.

Формула изобретения

Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы при физической нагрузке по взаимодействию кислородтранспортной и кислородутилизирующей систем организма человека путем ступенчато-повышающейся нагрузки на велоэргометре при величине ступени 50 кг · м · мин^-1 и продолжительности 30 с с замером частоты сердечных сокращений на каждой ступени и вычислении коэффициента регрессии, отличающийся тем, что ступенчатое увеличение нагрузки задают увеличением скорости на тредмилле с длительностью ступени 3 мин и дискретностью увеличения нагрузки 0,1 м · с^-1, симметрируя ступени нагрузки относительно ступени, при которой проявляется анаэробный порог (АнП), при этом непрерывно замеряют ЧСС (уд./мин^-1), легочную вентиляцию (V_E) мл · мин^-1, потребление кислорода (VO₂) мл · кг^-1 · мин^-1, излишки двуокиси углерода (ExcCO₂) м · кг^-1 · мин^-1, кислородный пульс (О₂-П) мл · уд.^-1 · кг^-1, вентиляционный эквивалент (V_E/VO₂), по полученным замерам ЧСС, VO₂, О₂-П, симметрированным относительно ступени проявления АнП, определенного по динамике V_E, V_E/VO₂, ExcCO₂, вычисляют коэффициент регрессии [tgα(ЧСС,VO₂,O₂-П)], сопоставляют изменения коэффициентов регресси после АнП относительно этих коэффициентов до АнП и максимальное увеличение tgα(O₂-П) после АнП по сравнению с его величиной до АнП от -0,05 ± 0,016 до АнП, до 0,05 ± 0,009 после АнП соответствует наилучшему функциональному состоянию сердечно-сосудистой системы, а максимальное уменьшение tgα(O₂-П) после АнП по сравнению с его величиной до АнП от 0,07 ± 0,027 до АнП, до -0,056 ± 0,01 после АнП соответствует наихудшему функциональному состоянию сердечно-сосудистой системы.