Способ определения эффективности функционирования сердечно-сосудистой системы человека при нагрузке - RU2687178C1
Код документа: RU2687178C1
Описание
Изобретение относится к медицине, а именно к определению эффективности функционирования сердечно-сосудистой системы человека по показателям артериального давления и пульса после тестовой физической нагрузки и может быть использовано в клинической физиологии, физической культуре и спорте, кардиологии и других областях медицины.
В настоящее время получили распространение методы исследования работоспособности человека, основанные на регистрации показателей сердечно-сосудистой системы после выполнения равномерной во времени физической нагрузки мощностью 3-4 Вт на 1 кг массы тела в минуту и длительностью 3-5 минут. В качестве нагрузки используют степ-тест, велоэргометр, беговую дорожку - тредмил.
Типичный пример - метод исследования работоспособности PWC170 (Phisical Working Capacity - "физическая работоспособность"). Сущность теста PWC170 заключается в определении мощности нагрузки, при которой частота сердечных сокращений (ЧСС) достигает 170 ударов в минуту (Руководство к практическим занятиям по нормальной физиологии. /Под ред. С.М. Будылиной, В.М. Смирнова. - М: Издательский центр «Академия», 2005. - с. 288-292). Эта «реперная» физиологическая точка для сравнения была выбрана из следующих соображений. При физической нагрузке минутный объем крови (МОК) увеличивается за счет увеличения систолического объема сердца и ЧСС. Систолический объем при тяжелой работе увеличивается в 1,5-3 раза (в среднем в 2 раза). Основной прирост МОК происходит за счет увеличения ЧСС. При работе легкой и средней тяжести ЧСС увеличивается параллельно увеличению потребления кислорода. Но это происходит пока существует линейная связь между развиваемой мощностью и ЧСС (т.е. ~ до 170 уд./мин.; дальнейший рост ЧСС сопровождается уменьшением объема систолического выброса).
При проведении теста PWC170 испытуемый выполняет две нагрузки умеренной интенсивности. Каждая нагрузка выполняется по 3-5 минут с 3-минутным интервалом отдыха и без предварительной разминки. Каждая нагрузка (восхождение на ступеньки разной высоты - от 20 до 50 см) выполняется с определенной частотой восхождений на ступеньку: 1-я - с частотой 20 раз в минуту, 2-я - с частотой 30 раз в минуту.
Мощность нагрузок (W) при восхождении на ступеньки определяется по формуле: W=МТ⋅Н⋅N⋅1,333, где W - мощность работы, кгм/мин (6 кгм/мин=1 Вт); МТ - масса испытуемого, кг; Н - высота ступеньки, м; N - число подъемов (восхождений на ступеньку) в минуту; 1,333 - расчетный коэффициент (при спуске со ступеньки мощность выполняемой работы составляет 30% от мощности при подъеме).
Физическая работоспособность определяется по формуле:
PWC170=W1+(W2-W1)⋅(170-ЧСС1)/(ЧСС2-ЧСС1)
где W1 и W2 - мощности 1-й и 2-й нагрузок; ЧСС1 и ЧСС2 - ЧСС после 1-й и 2-й нагрузок.
«Адекватность» такой оценки работоспособности человека и ее взаимосвязи с эффективностью работы сердечно-сосудистой системы легко показать на простом примере.
Если взять 2-х испытуемых с одинаковой МТ, которые в первой и второй пробе совершили одинаковое количество восхождений (20 в первой и 30 во второй), то мощности Win W2 будут у них одинаковые, как и разница между ними (W2-W1). В этом случае оценка PWC170 будет зависеть исключительно от ЧСС1 и ЧСС2, зарегистрированных после выполнения проб, а, точнее, от соотношения (170-ЧСС1)/(ЧСС2-ЧСС1).
Предположим, что у первого испытуемого ЧСС1=90 уд./мин, а ЧСС2=145 уд./мин.; (170 - 90) / (145 - 90)=80 / 55=1,45.
У второго испытуемого ЧСС1=ПО уд./мин, а ЧСС2=150 уд./мин.; (170-ПО)/(150-ПО)=60/40=1,5.
Первый испытуемый имеет меньшее значение ЧСС и после первой и после второй нагрузки, т.е. эти нагрузки были выполнены с меньшей нагрузкой со стороны сердечно-сосудистой системы по этому показателю. Но поскольку у второго испытуемого меньшая разница между (ЧСС2-ЧСС1), при аппроксимации по PWC170, он будет оценен как более работоспособный, что не соответствует действительности. Более тренирован как раз первый испытуемый, для которого первая проба была явно небольшой нагрузкой. Для второго испытуемого уже первая проба была серьезной нагрузкой, вызвавшей избыточную мобилизацию сердечнососудистой системы.
На самом деле невозможно объективно охарактеризовать работоспособность только по эффективности работы сердечно-сосудистой системы при нагрузке. Для этого нужно использовать еще и показатели работы при нагрузке дыхательной системы и силовые показатели. Но эффективность работы сердечно-сосудистой системы при нагрузке - это, безусловно, один из основополагающих показателей здоровья человека. Вопрос в том, как правильно ее оценить. Это невозможно сделать, основываясь лишь на частных показателях работы сердечно-сосудистой работы, таких как ЧСС, систолическое артериальное давление (САД), диастолическое артериальное давление (ДАД). Необходим интегральный показатель работы сердечно-сосудистой системы, имеющий физиологический смысл, и позволяющий обеспечить при его применении получение объективных показателей эффективности.
И такой показатель есть (Пат.RU 2535914, 2014). Это индекс минутного объема крови (ИМОК), выведенный из основных уравнений гемодинамики и показывающий соотношение между минутным объемом крови (МОК) и объемом циркулирующей крови (ОЦК): ИМОК=МОК/ОЦК. Несмотря на то, что он характеризует отношение объемных величин, вычислить его можно на основе регистрации частных показателей работы сердечно-сосудистой системы, т.е. ЧСС, САД, ДАД:
ИМОК=(САД+ДАД)⋅Тпи/ДАД/(Тсц-Тпи),
где САД - систолическое артериальное давление; ДАД - диастолическое артериальное давление; Тсц - период сердечного цикла, вычисляемый по формуле Тсц=60 / ЧСС; Тпи - период изгнания, вычисляемый по формуле:
Тпи=0,268⋅Тсц0,36.
ИМОК позволяет привести значение мощности (W) сначала, к одному кг (W/МТ) для нивелирования различий испытуемых по МТ, а затем, к одному ОЦК (Wкг оцк=W/МТ/ИМОК). Эта величина (Wкг оцк) показывает какая мощность выполненной нагрузки приходится на один кг МТ за период нагрузки, когда через большой круг кровообращения прошел один ОЦК.
При таком подходе отпадает необходимость как в ориентации на «реперную» точку по ЧСС (170 уд./мин), так и в проведении 2-х проб с разной мощностью нагрузки. Достаточно одной пробы с расчетной нагрузкой 2,5-3 Вт/кг в минуту. Длительность выполняемого нагрузочного теста также может быть уменьшена до 1 минуты. Равномерная нагрузка в течение 3-5 минут мощностью 2-4 Вт/кг «равномерно» выполняется только тренированными людьми (спортсменами). Минутная нагрузка - это как раз тот интервал времени, когда даже не тренированные люди, могут выполнять нагрузку, не меняя темпа.
Если нагрузка выполняется в виде степ-теста, то помимо ЧСС, САД и ДАД, измерение которых выполняют сразу после выполнения нагрузки, необходимо фиксировать число восхождений и высоту ступеньки.
Мощность выполненной нагрузки (W, Вт) определяется по формуле: W=МТ⋅Н⋅N⋅1,333/6, МТ - масса тела, кг; Н - высота ступеньки, м; N - число подъемов (восхождений на ступеньку) в минуту; 1,333 - расчетный коэффициент (при спуске со ступеньки мощность выполняемой работы составляет 30% от мощности при подъеме); 1/6 - коэффициент перевода кгм/мин в Вт.
Мощность выполненной нагрузки, приведенная к одному кг МТ и к одному ОЦК: Wкг оцк=W/МТ/ИМОК. По значению Wкг оцк определяется уровень эффективности функционирования сердечно-сосудистой системы.
Цель заявляемого способа объективно оценить эффективность функционирования сердечно-сосудистой системы при нагрузке, упростить способ ее определения за счет использования при вычислениях физически и физиологически обоснованных формул.
Изобретение осуществляют следующим образом.
У испытуемого в состоянии покоя измеряют массу тела (МТ, кг). Затем испытуемый в течение минуты выполняет физическую нагрузку мощностью 2,5-3 Вт/кг, после которой сразу измеряют частоту сердечных сокращений (ЧСС), систолическое артериальное давление (САД), диастолическое артериальное давление (ДАД). Проводят вычисление индекса минутного объема крови (ИМОК) по формуле:
ИМОК=(САД+ДАД)⋅Тпи/ДАД/(Тсц-Тпи),
где Тсц - период сердечного цикла,
Тсц=60 / ЧСС;
Тпи - период изгнания, вычисляемый по формуле Тпи=0,268⋅Тсц0,36; Мощность выполненной нагрузки (W, Вт) приводят к 1 кг массы тела и 1 объему циркулирующей крови (Wкг оцк):
Wкг оцк=W/MT/ИМОК,
и по значению Wкг оцк проводят оценку уровня эффективности:
Реализация способа осуществляется следующим образом.
Для проведения измерений МТ (веса, кг), ЧСС, САД, ДАД, могут использоваться любые сертифицированные аппараты для их автоматического, полуавтоматического, ручного измерения. У испытуемого в состоянии покоя измеряют МТ, затем испытуемый в течение минуты выполняет физическую нагрузку мощностью 2,5-3 Вт/кг, измеряют ЧСС, САД, ДАД, вычисляют ИМОК по формуле:
ИМОК=(САД+ДАД)⋅Тпи/ДАД/(Тсц-Тпи),
где Тсц - период сердечного цикла, Тсц=60/ЧСС; Тпи - период изгнания, вычисляемый по формуле Тпи=0,268⋅Тсц0,36
Мощность выполненной нагрузки (W, Вт) приводят к 1 кг массы тела и 1 объему циркулирующей крови (Wкг оцк): Wкг оцк=W/МТ/ИМОК, и по значению Wкг оцк проводят оценку уровня эффективности:
Реализация способа поясняется нижеприведенными примерами.
Пример 1. Испытуемый с МТ=66 кг совершил за 1 минуту 30 восхождений на ступеньку высотой 40 см (0,4 м), ЧСС=150 уд./мин; САД=160 мм рт.ст.; ДАД=100 мм рт.ст.
Мощность выполненной нагрузки:
W=МТ⋅Н⋅N⋅1,333=66⋅0,4⋅30 1,333=1055,736 кгм/мин
или 1055,736/6=175,956 Вт/мин
Тсц=60/ЧСС=60/150=0,4 с;
Тпи=0,268⋅Тсц0,36=0,268⋅0,40,36=0,193
ИМОК=(САД+ДАД)⋅Тпи/ДАД/(Тсц-Тпи)=
=(160+100)⋅0,193/100/(0,4-0,193)=
=260⋅0,193/100/0,207=2,424
Мощность, приведенная к 1 кг Мт и 1 ОЦК:
Wкг оцк=W/МТ/ИМОК=175,956/66/2,424=1,0998
Это средний уровень эффективности функционирования сердечнососудистой системы (1,065
Пример 2. Испытуемый с МТ=66 кг совершил за 1 минуту 30 восхождений на ступеньку высотой 40 см (0,4 м), ЧСС=84 уд./мин; САД=149 мм рт.ст.; ДАД=95 мм рт.ст.
Мощность выполненной нагрузки:
W=МТ⋅Н⋅N⋅1,333=66⋅0,4⋅30⋅1,333=1055,736 кгм/мин
или 1055,736/6=175,956 Вт/мин
Тсц=60/ЧСС=60/84=0,714 с;
Тпи=0,268⋅Тсц0,36=0,268⋅0,7140,36=0,237
ИМОК=(САД+ДАД)⋅Тпи/ДАД/(Тсц-Тпи)=
=(149+95)⋅0,237/95/(0,714-0,237)=
=244⋅0,237/95/0,477=1,276
Мощность, приведенная к 1 кг Мт и 1 ОЦК:
Wкг оцк=W/МТ/ИМОК=175,956/66/1,276=2,089
Это очень высокий уровень эффективности функционирования сердечнососудистой системы (Wкг оцк>2,055).
Пример 3. Испытуемый с МТ=60 кг совершил за 1 минуту 60 оборотов вращения педалей велоэргометра, при этом регулятор сопротивления вращения педалей был настроен на получение мощности нагрузки в 180 Вт (3⋅60); после нагрузки ЧСС=90 уд./мин; САД=140 мм рт.ст.; ДАД=85 мм рт.ст.
Тсц=60/ЧСС=60/90=0,6667 с;
Тпи=0,268⋅Тсц0,36=0,268⋅0,6670,36=0,2316
ИМОК=(САД+ДАД)⋅Тпи/ДАД/(Тсц-Тпи)=
=(140+85)⋅0,2316/85/(0,6667-0,2316)=
=225⋅0,2316/85/0,4351=1,409
Мощность, приведенная к 1 кг Мт и 1 ОЦК:
Wкг оцк=W/МТ/ ИМОК=180/60/1,409=2,129
Это очень высокий уровень эффективности функционирования сердечнососудистой системы (Wкг оцк>2,055).
Таким образом, способ довольно прост в исполнении, позволяет объективно оценить эффективность функционирования сердечно-сосудистой системы при нагрузке, за счет использования в расчетах физиологически обоснованных формул.
Реферат
Изобретение относится к медицине, а именно к клинической физиологии и кардиологии, и может быть использовано для определения эффективности функционирования сердечно-сосудистой системы человека при нагрузке. Измеряют массу тела (МТ). Измеряют частоту сердечных сокращений (ЧСС), систолическое артериальное давление (САД), диастолическое артериальное давление (ДАД). Вычисляют индекс минутного объема крови (ИМОК), показывающий отношение минутного объема крови к объему циркулирующей крови. Причем измерения ЧСС, САД и ДАД выполняют сразу после выполнения равномерной контролируемой физической нагрузки, которую проводят в течение 1 минуты, мощностью (W, Вт) в диапазоне значений от (2,5⋅МТ) до (3⋅МТ). После чего приводят значение мощности к 1 кг массы тела испытуемого и 1 объему циркулирующей крови (W): W=W/MT/ИМОК, где W - мощность выполненной нагрузки, Вт; МТ - масса тела испытуемого, кг; ИМОК - индекс минутного объема крови, и по значению Wпроводят оценку уровня эффективности функционирования сердечно-сосудистой системы: очень высокий W>2,055, высокий 1,605
