Способ непрямой оценки потребления кислорода человеком

Изобретение относится к медицине, а именно к спортивной, подводной и авиакосмической физиологии, и может быть использовано при определении количества потребления кислорода человеком при физических нагрузках. Для этого предварительно измеряют индекс Кердо и соответствующее ему потребление кислорода при разных уровнях физической нагрузки. На основании модели связи вегетативного индекса Кердо и количества потребления кислорода (в литрах в минуту): z=а ₁·х+a ₂·y+a ₀, где z - задаваемое на измерительном устройстве значение мощности нагрузки, х - измеряемое значение вегетативного индекса Кердо, y - отклик организма в виде количества потребляемого кислорода (л/мин); определяют значения коэффициентов a ₁, а ₂, a ₀. Количество потребления кислорода человеком определяют на основании измеренного индекса Кердо и значения мощности нагрузки по формуле $$y=\frac{z-a_0-a_1\cdot x}{a_2}$$ , где a ₁, a ₂, a ₀ - коэффициенты, значения которых предварительно определены. Способ позволяет адекватно оценить количество потребленного кислорода человеком при физической нагрузке без использования газоаналитической аппаратуры. 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области математической биологии, а именно к спортивной, подводной и авиакосмической физиологии. Предлагаемая методика может быть использована как в спортивных и оздоровительных целях (например, при подготовке спортсменов), так и в целях подготовки и контроля персонала (экипажа), длительное время изолированно пребывающего по роду практической деятельности в условиях подводных и авиакосмических исследований, а также связанных с деятельностью человека, находящегося в экстремальных условиях.

Знание количества потребляемого человеком кислорода при разных видах деятельности является одним из важных инструментов исследования жизнедеятельности экипажей гермообъектов [Олизаров В.В. Системы обеспечения жизнедеятельности экипажей летательных аппаратов. Под ред. В.А. Боднера. М.: Издание ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1962. с.13] и оценки их работоспособности [Аулик И.В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. М.: Медицина. 1979. с.54]. Колебания изменений потребления кислорода на протяжении суток зависит от чередования разных нагрузок на человека, в том числе связанных с постуральными изменениями.

Известны разные инструментальные методы оценки потребления кислорода на уровне всего организма [Физиология человека. Под ред. Р.Шмидта, Г.Тевса. В 3-х томах. Т.3, М.: Мир. 2010. с.660 - прототип]. Однако применение известных методов подразумевает обязательное наличие газоаналитической аппаратуры, калибровочного оборудования к ней, замену комплектующих, например датчиков, имеющих ограниченный срок хранения. В свою очередь, калибровочное оборудование включает наличие сосудов под высоким давлением, использование которых согласно содержанию требований норм к безопасности может быть недопустимо в условиях барокамер и других гермообъектов, включая космические летательные аппараты (КЛА). Кроме того, даже простая транспортировка баллонов с калибровочными газами под высоким давлением в труднодоступные места, например околоземное пространство, сопряжена с высоким риском и является дорогостоящей.

Изобретенный нами метод определения потребления кислорода человеком полностью исключает необходимость в транспортировке описанного выше оборудования в космос и другие труднодоступные места.

Известно также, что косвенные результаты измерений могут быть не менее точными, чем результаты прямых измерений. Такой подход в естествознании известен и описан [Бурмистров Г.А. Основы способа наименьших квадратов. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр. 1963. с.119-208; Агекян Т.А. Теория вероятностей для астрономов и физиков. Учебное пособие. М.: Наука. 1974. с.197; Мазмишвили А.И. Способ наименьших квадратов. М.: Недра. 1968. с.180-231].

Поэтому одним из перспективных направлений является изучение взаимосвязи физиологических параметров оптимального функционирования членов экипажей пилотируемых объектов [Шибанов Г.П. Обитаемость космоса и безопасность пребывания в нем человека. М.: Машиностроение. 2007. 544 с.; Ханин М.А., Дорфман Н.Л., Бухаров И.Б. и др. Экстремальные принципы в биологии и физиологии. М.: Наука. 1978. 256 с].

Задачей предлагаемого изобретения является разработка нового способа адекватной оценки количества потребляемого кислорода человеком без применения дорогостоящей газоаналитической аппаратуры на основании измерения физиологической характеристики вегетативной нервной системы и дозированной нагрузки на организм.

Достигаемым техническим результатом является определение количества потребленного кислорода человеком на основании измерения дозированной нагрузки на велоэргометре и индекса Кердо.

Способ осуществляется следующим образом.

1. Строят модель связи вегетативного индекса Кердо и количества потребления кислорода (в литрах в минуту).

Для чего выполняют измерение индекса Кердо и соответствующего ему потребления кислорода при разных уровнях физической нагрузки: 0, 60, 75, 90 Вт и т.д. вплоть до максимального потребления кислорода.

В качестве модели зависимости нами найдена зависимость:

$$z=a_1\cdot x+a_2\cdot y+a_0(1.1)$$

где z - детерминированное, то есть заведомо задаваемое на измерительном устройстве (например, велоэргометре), значение мощности нагрузки, х - измеряемое значение вегетативного индекса Кердо, y - отклик организма в виде количества потребляемого кислорода (л/мин), a₁, a₂, a₀ - линейные коэффициенты, значения которых находятся для конкретного испытуемого в лабораторных условиях методом наименьших квадратов.

Пример 1. Для испытателя К. уравнение связи в виде линейной функции двух переменных имеет вид:

$$z=23.06\cdot x+82.7\cdot y-28.2(1.2)$$

На фиг.1 представлена трехмерная графическая интерпретация модели (1.2) для испытателя К. Видна наиболее удобная для восприятия точка обзора. По оси абсцисс и ординат соответственно - индекс Кердо и потребление кислорода. По оси аппликат - нагрузка (Вт). Значения коэффициентов a₁=23.06, a₂=82.7, a₀=-28.2 найдены методом наименьших квадратов.

Модель (1.2) является индивидуальной характеристикой организма испытателя К. Для других испытателей с помощью лабораторных экспериментов использован метод наименьших квадратов, нужно найти их индивидуальные значения характеристик a₁, a₂, a₀.

2. Зная индивидуальную модель испытателя, и в других случаях, в которых измерение потребления кислорода невозможно или связано со значительными материальными затратами, потребление кислорода определяют по формуле (где значения коэффициентов a₁, а₂, а₀ определены на этапе построения модели, см. п.1):

$$y=\frac{z-a_0-a_1\cdot x}{a_2}.(1.3)$$

Общий объем потребляемого кислорода испытателем вычисляется как

$$Q_y={\displaystyle \underset{a}{\overset{b}{\int }}{\displaystyle \underset{c}{\overset{k}{\int }}\frac{z-a_0-a_1\cdot x}{a_2}dxdy},}(1.4)$$

где a, b - зарегистрированные границы значений индекса Кердо, c, k - границы значений мощности нагрузки.

Метод расчета применим, в том числе, для состояния относительного покоя, в котором нагрузка считается равной нулю.

С помощью многомерного критерия Фишера-Снедекора нами в 2011-2012 гг. выполнена проверка адекватности метода на 30 практически здоровых испытуемых в ходе фоновых исследований экспериментов ГНЦ Института медико-биологических проблем РАН «Марс-500», «Гелий-11», «Аргон-11» и «Аргон-12», одобренных Биоэтической комиссией института.

В результате проверки установлено, что вероятность ошибки метода близка к нулю (≈10^-21). Нами установлено, что среди испытателей экспериментов максимальное зарегистрированное потребление кислорода было 4.7 л/мин. У спортсменов экстра-класса этот показатель может достигать 6 л/мин.

В результате численной апробации моделей в экспериментах «Марс-500», «Гелий-11», «Аргон-11» и «Аргон-12» установлено, что разработанная методика является достаточно точной для решения задач жизнеобеспечения экипажей КЛА.

Пример 2. Из измерений на велоэргометре известно, что у испытателя эксперимента «Гелий-11» К при значении нагрузки 210 Вт значение индекса Кердо составило +0.41.

Определяем: $$y=\frac{210+28.2-23.06\cdot 0.41}{82.7}=2.76\text{ л/мин}$$ - соответствующее потребление кислорода.

Вместе с тем известно, что в результате измерений данный испытатель при нагрузке 210 Вт и индексе Кердо +0.41 потреблял кислорода 2.92 л/мин. То есть, предсказанный с помощью модели результат, найденный без выполнения измерений газоаналитической аппаратурой количества потребляемого кислорода, 2.76 л/мин, незначительно отличается от зарегистрированного инструментально результата 2.92 л/мин.

Вывод. Зная модель (1.1) с найденными методом наименьших квадратов значениями коэффициентов a₁, а₂, а₀ для данного испытателя, измерения потребляемого им кислорода можно не выполнять, а предсказать заранее достаточно точно. Этим методом можно воспользоваться, например, на борту КЛА, где длительное измерение потребляемого кислорода сопряжено со значительными техническими и экономическими трудностями. Наш же способ позволит, в том числе, индивидуально косвенно мониторировать потребление кислорода на борту МКС без применения газоаналитической аппаратуры.

Способ определения количества потребления кислорода человеком при физических нагрузках, заключающийся в том, что предварительно измеряют индекс Кердо и соответствующее ему потребление кислорода при разных уровнях физической нагрузки на основании модели связи вегетативного индекса Кердо и количества потребления кислорода (в литрах в минуту): z=а ₁·х+a ₂·y+a ₀, где z - задаваемое на измерительном устройстве значение мощности нагрузки, х - измеряемое значение вегетативного индекса Кердо, y - отклик организма в виде количества потребляемого кислорода (л/мин); определяют значения коэффициентов a ₁, а ₂, a ₀; впоследствии количество потребления кислорода человеком определяют на основании измеренного индекса Кердо и значения мощности нагрузки по формуле , где a ₁, a ₂, a ₀ - коэффициенты, значения которых предварительно определены.