CC BY
78
УДК 615. 471 DOI: 10.12737/3308
БИОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ И КОРРЕКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СПОРТСМЕНОВ
В.И. БОЙКО, СК. МЕЩАНИНОВ
Днепродзержинский государственный технический университет, ул. Днепростроевская, 2, г .Днепродзержинск, Днепропетровская область, Украина, 51918
Аннотация. Коллективом сотрудников Днепродзержинских государственного технического университета, колледжа физкультуры и Днепропетровского института физкультуры и спорта предложена методика регламентации тренировочных нагрузок спортсменов в зависимости от энергетических показателей сердечно-сосудистой системы. Основной целью работы было создание принципов диагностики состояния сердечно-сосудистой системы спортсменов. Показано, что основными структурными узлами биотехнической системы являются: пациент (спортсмен), оператор (врач), эхокардиограф,
электрокардиограф, блок ультразвуковых воздействий, персональный компьютер, интерфейс, пульт оператора, принтер, тренажерный комплект. Приведена структурная схема биотехнического комплекса диагностики и коррекции состояния этой системы. Разработаны основные принципы создания биотехнического комплекса для диагностики и коррекции функционального состояния спортсменов, предложена методика регламентации тренировочных нагрузок спортсменов в зависимости от энергетических показателей сердечно-сосудистой системы. Рассмотрен механизм функционирования сердечнососудистой системы человека при повышенных физических нагрузках. Приведены основные параметры ультразвуковых воздействий на мышцу сердца (закрытый массаж), улучшающих состояние сердечно-сосудистой системы. Рассмотрена структура биотехнического комплекса диагностики и коррекции свойств сердечно-сосудистой системы на основе персонального компьютера, эхо- и электрокардиографов, ультразвукового генератора, тренажера «КОНЦЕПТ».
Ключевые слова: биотехнический комплекс, эхокардиограф, диагностика, сердечно-сосудистая система, тренажер, спортсмен, пациент.
BIOTECHNICAL COMPLEX OF DIAGNOSTICS AND CORRECTION OF A FUNCTIONAL CONDITION OF SPORTSMEN
V.I. BOIKO, S. K. MESHCHANINOV
Dneprodzerzhinsk State Technical University,
Str. Dneprostroevskaya, 2, Dneprodzerzhinsk, Dnepropetrovsk region, Ukraine, 51918
Abstract. The staffs of the Dneprodzerzhinsk State Technical University (Ukraine), the College of physical education and the Dnepropetrovsk Institute of physical culture and sports have offered the methods of regulation of training loads athletes, depending on the energy performance of the cardiovascular system. The important objective of this study was creation the principles of diagnostics state of the cardiovascular system of sportsmen. It is shown that the basic structural knots of the biotechnical system are: patient (sportsman), operator (doctor), echocardiograph, electrocardiograph, block of ultrasonic influences, personal computer, interface, stand of operator, printer, gym kit. The structural scheme of the biotech complex diagnostics and correction of the state of this system is proposed. Basic principles of creation of biotechnical complex were carried out for diagnostics and correction of the functional state of sportsmen. The methods of regulation of the training loading of sportsmen were offered depending on the power indexes of the cardiovascular system. The mechanism of functioning of the cardiovascular system of man is considered at the increased physical loading. The main parameters of ultrasonic influences on the heart muscle (indoor massage), improves the cardiovascular system are considered. The structure of biotechnical complex of diagnostics and correction of properties of the cardiovascular system is considered on the basis of the personal computer, echo- and electrocardiograph, ultrasonic generator, trainer "KONCEPT".
Key words: biotechnical complex, echocardiograph, diagnostics, cardiovascular system, trainer, sportsman, patient.
При подготовке спортсменов высокого класса немаловажную роль играет проведение регулярных диагностических процедур, используемых тренерами для выработки корректирующих мероприятий в тренировочных циклах [1,2]. Диагностическая информация может выполнять и роль управляющей при активном воздействии соответствующих электромагнитных излучений на мышечные ткани человека для улучшения функционального состояния определенной биологической системы [3].
Коллективом сотрудников Днепродзержинских государственного технического университета, колледжа физкультуры и Днепропетровского института физкультуры и спорта предложена методика регламентации тренировочных нагрузок спортсменов в зависимости от энергетических показателей сердечно-сосудистой системы (ССС). Эта методика легла в основу разработанного биотехнического комплекса (БТК) диагностики и коррекции состояния ССС, упрощенная структурная схе-
ма которого изображена на рисунке.
Цель исследования - разработка основных принципов создания биотехнического комплекса для диагностики и коррекции функционального состояния спортсменов.
Материалы и методы исследования. Основными структурными узлами биотехнической системы являются: пациент (спортсмен), оператор (врач), эхокардиограф (ЭХК), электрокардиограф (ЭКГ), блок ультразвуковых воздействий (БУЗВ), персональный компьютер (ПК), интерфейс (И), пульт оператора (ПО), принтер (П), тренажерный комплект (ТК).
В рассматриваемый биотехнический комплекс диагностики и коррекции состояния положен метод визуализации полостей сердца и внутрисердечных структур при помощи ультразвуковых волн (эхокардиография). Этот метод основан на принципе отражения ультразвуковых волн от поверхности раздела сред с различным акустическим сопротивлением.
ПО
А
ї і
ПК
П
Зрительная информация |
Тактильная информация
Рис. Структурная схема биотехнического комплекса диагностики и коррекции состояния сердечно-сосудистой системы
ПК (тип IBM PC с операционной системой WINDOWS 98/NT5) осуществляет автоматическую обработку эхограмм, формирует базу данных, производит оперативную диагностику и выдает данные оптимальной коррекции состояния сердечнососудистой системы. Функциональной задачей ПК является также аппаратное и программное диагностирование работы комплекса.
Тренажерный комплект состоит из механического тренажера, типа «КОНЦЕПТ», оснащенного дополнительным портативным цифровым электрокардиографом и устройствами АЦП, ЦАП, аппликатор - излучатель, электроды-датчики, устройство связи с ПК.
БТК предусматривает использование скоростного интерфейса ПК - USB 2.0 (Universal Serial Bus), основными характеристиками которого являются:
- поддерживание универсального стандарта автоконфигурирования «Plug and Play», определяющего процесс установки периферийных устройств, их автоматическое распознавание и подключение к работающему компьютеру;
- передача логически независимых потоков данных от одного устройства с использование топологии связанных узлов (tiered-star topologi). При этом только одно устройство подключается к компьютеру, а остальные - присоединяются к концентратору USB (хабу);
- высокая помехоустойчивость;
- возможность каскадирования приборов с инвариантными каналами регистрации биосигналов для построения многоканальных систем функциональной диагностики.
Выбор данного интерфейса основывался, во-первых, на требовании БТК высоких скоростей обработки большого объема информации, что вызвано ее многофункциональностью и необходимостью «пространственного» обследования диагностических объектов, и, во-вторых, необходимостью организации «сетевой» диагностики.
В БТК предусмотрены два способа визуализации: В-
сканирование, когда на экране представляется изображение целого сердца в поперечной плоскости и М-сканирование, позволяющее получить одномерное изображение сердца с разверткой движения его структур во времени.
МикроЭВМ восстанавливает истинное двухмерное изображение эхограммы, на основании накопления в памяти массива данных, считываемых с ЭХК, и последующей их генерации в заданные моменты времени. Этот материал может быть отправлен на принтер на печать.
Процесс диагностирования и коррекции состояния ССС происходит следующим образом. От приложенного к телу пациента зонда ЭХК импульсы, представляющие собой акустические затухающие колебания длиной волны 1,2 мм, поступают в исследуемую область ССС. Часть энергии ультразвукового колебания отражается от биологических тканей. Отраженные ультразвуковые импульсы попадают обратно на зонд, где с помощью пьезокерамического преобразователя превращаются в электрические сигналы. После соответствующей обработки в эхокардиографе формируется изображение эхограммы. В зависимости от выбранного режима эхограмма представляется или в прямоугольной форме (режим М) или в виде сектора (режим В).
Оператор (врач) в процессе диагностики и при выборе режима коррекции ССС принимает во внимание психофизиологическое состояние (тактильную и зрительную информацию) пациента.
Коррекция состояния ССС осуществляется путем закрытого массажа мышцы в моменты ее расслабления, внешним ударным воздействием ультразвука, вырабатывающим управляемым ультразвуковым генератором БУЗВ.
Перед началом этапа активных тренировок спортсмены проходят эхо-кардиографию. По результатам обмера определяются показатели геодинамики и соответствующие им показатели физико-механических свойств миокарда левого желудочка, аорты, предсердия, а также показатели работы клапанного аппарата. Вычисляются: конечные систолический и диастолический размеры, толщины миокарда задней стенки левого желудочка в систолу и диастолу, просвет и толщина аорты в диастолу, период изгнания крови из левого желудочка. Фиксируются частота сокращений сердца (ЧСС) и давление по Короткову.
В частности, определяется величина энергии, сообщаемая левым желудочком изгоняемой из него в аорту крови, при нахождении спортсмена в покое, а также давление по Короткову и ЧСС после работы в течении 1 минуты на тренажере. Замеры выполняются сразу же и через 1 минуту после окончания работы. Находится соотношение величин энергии при ЧСС=170 уд. в мин и при ЧСС покоя примерно 70 уд. в мин., т.е. показатель оценивающий способность левого желудочка спортсмена, выполняющего функции производителя энергии. Определяется время изменения энергетического потенциала левого желудочка от величины, соответствующей ЧСС=170 уд. в мин., до величины соответствующей ЧСС покоя, т.е. находится показатель, характеризующий возможность левого желудочка восстанавливать свои возможности. Очевидно, чем больше первый и чем меньше второй показатели, тем выше спортивная форма. Комплексным показателем формы спортсмена является отношение первого показателя ко второму.
Суть предложенного способа лечебной тренировки путем внешнего воздействия на мышцу сердца физическим фактором выражается в следующем. На область мышцы сердца воздействуют ультразвуковыми колебаниями частотой 790-910 кГц, интенсивностью 0,2-0.45 Вт/см2 за 10 сеансов
по 7-11 минут каждый. Воздействие регламентировано во времени. Условие проведения массажа только в фазы изометрического расслабления сердечной мышцы в диастолу, чтобы сдавливание стенки не препятствовало процессу наполнения кровью коронарных сосудов в систолу. Момент приложения и продолжительность регулируются относительно фаз диастолы и систолы циклограммы роботы левого желудочка.
Пьезокристалл апликатора - излучателя изменяет свои размеры, будучи приложенным к поверхности груди пациента, ударяет по ней и ударная волна распространяется в тело, массируя область сердечной мышцы.
Для определения места воздействия в отверстие шара стакана, предварительно установленного по парастераль-ной линии между 4-5 ребрами, вставляют щуп и по изображению отведения кардиографа выставляют ось щупа и закрепляют шар в стакане. Затем щуп вынимают и на его место вставляют аппликатор - излучатель и подключают к конечностям клипсы электрокардиографа.
Принято выделять три вектора возбуждения желудочков, которые образуют комплекс ОИБ. Начальный (перегородочный) вектор характеризует ЭДС сердца в первые 0,015-0,03 с деполяризации желудочков, отражает начало возбуждения правого желудочка и направлен вправо вперед и вверх. Основной вектор представляет ЭДС возбуждения желудочков в период 0,03-0,05 с. ЭДС левого желудочка значительно ЭДС правого, поэтому основной вектор ориентирован вниз и влево. Конечный вектор отражает деполяризацию желудочков в последние 0,06-0,08 с, обусловлен возбуждением миокарда основания желудочков и направлен вверх назад и слегка вправо или влево.
Традиционная схема регистрации включает 12 отведений: три стандартных (1, 11, 111), три усиленных однополюсных отведений от конечностей (аУИ, аУЬ, аУБ) и шесть грудных однополюсных отведений (У1-У6). Такая система ЭКГ регистрации может быть обеспечена 8-канальной биполярной регистрацией с наложением 4-х электродов на конечности и 6 грудных электродов: И - правая рука; Ь -левая рука; Б - левая нога (нейтраль); С - правая нога (общая земля для регистрирующей аппаратуры); С1 - грудные электроды 1=1-6, с подключением к биоусилителю в следующей последовательности полярности электродов. Отведение 1= Ь(+), И(-); отведение 111= И(-), Б(+); Отведение СА = С (+), Б(-); 1=1-6.
ЭКГ запись состоит из зубцов (обозначаемых латинскими буквами Р О И Б Т и) сегментов и интервалов. Амплитуда зубцов измеряется от нулевой линии (изолинии, которая обычно соответствует положению горизонтальной площадки РО) в милливольтах, а длительность в секундах.
Зубец Р отражает возбуждение (деполяризацию) предсердий в первые 0,02-0,03 с возбуждает только правое предсердие (восходящее колено зубца Р). В следующие 0,020,03 с правое предсердие, межпредсердная перегородка, левое предсердие (вершина зубца Р0 в последние 0,2-0,03 с только левое предсердие (нисходящее колено зубца Р). Общая продолжительность зубца Р составляет 0,06-0,11 с. Зубцы Р в стандартных отведениях всегда положительны и имеют амплитуду не более 20-25 мкВ. Зубец Р111 может быть положительным, двухфазным, сглаженным или отрицательным. Зубец РаУИ всегда отрицательный, почти такой же амплитуды и Р11. В отведении аИУ зубец Р положительный, а аУБ зубец Р небольшой амплитуды, может быть положительным, изоэлектричным, нередко бывает двухфазным, отрицательным в зависимости от более верти-
кального или горизонтального направления вектора Р.
Интервал РО время предсердно-желудочковой проводимости.
Зубцы О И Б Т составляют желудочковый комплекс. Интервал ОИБ характеризует распространение возбуждения по миокарду желудочков, измеряется от начала зубца О до конца зубца Б, продолжительность его колеблется от
0,06 до 0,10 с.
Сегмент БТ, отрезок конца комплекса до начала зубца Т, указывает на то, что миокард желудочков полностью охвачен возбуждением. Этот сегмент в отведениях от конечностей обычно расположен на изоэлектрической линии.
Зубец Т соответствует процессам прекращения возбуждения желудочков. Полярность зубца Т в отведениях от конечностей также зависит о проекции вектора Т на оси отведений. В норме угол между вектором Т и вектором комплекса ОИБ не превышает 30-35о, поэтому зубец Т направлен в ту же сторону, что и основной зубец ОИБ. Зубец Т в отведениях 1, 11 всегда положительный. Т111 может быть положительным, изоэлектричным или отрицательным (при горизонтальном направлении электрической оси сердца). ТаУИ всегда отрицательный. ТаУБ обычно положительный, при горизонтальном направлении электрической оси сердца может быть сглаженный. ТаУЬ чаще бывает положительным небольшой амплитуды, но может быть изоэлектричным и отрицательным (при вертикальном направлении оси сердца).
Длительность интервала ОИБТ, называемого электрической систолой, зависит от пола возраста и частоты сердечных сокращений. Продолжительность ОИБТ не должна отличаться от должной ОТ, которую вычисляют по формуле Базетта: ОТ=Кх5ОКТ(КИ), где К=0,37 для мужчин, и К=0,40 для женщин. Более чем на 15% при нормальной частоте ритма это составляет 0,4 с.
Электрокардиограмму обследуемого получают на экране монитора. Перемещая горизонтальную линию маркера до пресечения ее с пиком зубца И электрокардиограммы, вычисляют по заданной программе ПК: частоту подачи пачек импульсов, продолжительность их действия, отметку отсчета времени задержки запуска генератора. Ручкой настройки блока линии задержки изменяют на экране дисплея вертикальной линии маркера, устанавливая момент начала работы генератора в течение цикла работы сердца, устанавливают время окончания работы генератора.
Закрытый массаж производится путем механического воздействия на мышцу сердца, которое регламентируется по числу сеансов, продолжительности сеанса воздействий, относительной продолжительности подачи пачки импульсов за время цикла, мощности, частоты ультразвуковых колебаний и времени начала подачи. Частота включений определяется состоянием организма и колеблется от 1 Гц до 3 Гц. При постоянной относительной величине воздействия около 0,2 продолжительность изменяется в три раза.
Метод нормирования тренировочной нагрузки по данным состояния сердца как источника, сообщающего энергию изгоняемой в аорту крови, оценивалась по результатам, показанным спортсменами контрольной группы. К моменту начала эксперимента по показываемым результатам спортсмены обеих групп могли бы быть объединены в одну. На момент контроля показатели у контрольной группы были значимо хуже. Эхо-кардиография покоя проводилась 1 раз в пол года.
Нагрузочный тест и необходимые расчеты, выполнялись 3 раза в неделю. На проведение теста затрачивалось
5 минут на спортсмена, после чего он приступал к разминке. Помощник тренера производил необходимые вычисления. К моменту окончания разминки тренер получал результаты обработки данных, которые им принимались во внимание, и при необходимости вносились коррективы в план тренировки. Нередко приходилось сталкиваться с необъективной оценкой спортсмена своего состояния. Своевременная коррекция нагрузок позволяет спортсмену достигнуть пика формы к моменту ответственных соревнований. Полученные статистические данные используются врачом для определения показателей функционального состояния сердечно-сосудистой системы спортсмена и принятия совместно с тренером решения о целесообразности продолжения его спортивной карьеры.
Предложенный метод может являться критерием нормирования тренировочной нагрузки на каждую тренировку или микроцикл по данным состояния сердца как источника, сообщающего энергию. Оценка его эффективности производилась по результатам СФП (спортивной функциональной подготовки), выполняемой на тренажере типа «КОНЦЕПТ» с регулируемой нагрузкой. Данные эхо-кардиографии являются достаточно информативными для суждения о состоянии спортсмена, его функциональных возможностях и физической готовности на выполнение тренировочного задания.
По оценке тренеров /1-3/, применение приведенной методики может существенно повысить функциональную подготовку спортсменов к заданному времени основных соревнований.
Данная биотехническая система и методика диагностики и коррекции состояния сердечно-сосудистой системы может быть использована в тренажерных залах для регулирования нагрузки пациентов в зависимости от их психического и эмоционального состояния.
Выводы. Предложена методика регламентации тренировочных нагрузок в зависимости от энергетических показателей сердечно-сосудистой системы. При этом, в результате прохождения обследуемым эхо- и электрокар-
диографии, а также измерения ЧСС и артериального давления, определяются показатели геодинамики, вычисляются конечные систолический и диастолический размеры, толщины миокарда задней стенки левого желудочка в систолу и диастолу, просвет и толщины аорты в диастолу, период перекачки крови из левого желудочка в аорту, величина затрачиваемой при этом энергии.
Рассмотрен механизм функционирования сердечнососудистой системы человека при повышенных физических нагрузках.
Приведены основные параметры ультразвуковых воздействий на мышцу сердца (закрытый массаж), улучшающих состояние сердечно-сосудистой системы.
Ра^мотрена структура биотехнического комплекса диагностики и коррекции свойств сердечно-сосудистой системы на основе персонального компьютера (IBM PC), эхо- и электрокардиографов, ультразвукового генератора, тренажера «КОНЦЕПТ».
Литература
1.Эхокардиологические исследования спортсменов. // Сб. науч. трудов: Малаховка, 198б. С. б-1б.
2. Гребной спорт. // Сб. научно-прикладных статей: Днепропетровск, 2001. 142 с.
3.Новые компьютерные технологии в тренерской практике // Сб. науч. трудов, «Проблеми та шляхи розвитку вищої технічної освіти». Киев, 2002. 128 с.
References
1. Ekhokardiologicheskie issledovaniya sportsmenov. Sb. nauch. trudov: Malakhovka; 198б. Russian.
2. Grebnoy sport. Sb. nauchno-prikladnykh statey: Dnepropetrovsk; 2001. Russian.
3. Novye komp'yuternye tekhnologii v trenerskoy prak-tike. Sb. nauch. trudov, «Problemi ta shlyakhi rozvitku vishcho'i' tekhnichno'i' osviti». Kiev; 2002. Russian.
