CC BY
136
УДК: 616.24-073.173:612.22
Н.Н.Вавилова, Т.В.Смирнова, Е.В.Колотова
ЭРГОСПИРОМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЗДОРОВЫХ ЛИЦ
РЕЗЮМЕ
Цель настоящего исследования состояла в изучении особенностей функционального состояния системы транспорта кислорода при максимальной мышечной деятельности. Методом эргоспирометрии проведена оценка физической работоспособности у 23 мужчин и 24 женщин. Апробируемый способ велоэргометрического тестирования позволяет установить половые особенности реакции дыхательной системы на физическую нагрузку. Обнаружена прямая взаимосвязь выполненной работы с количеством выведенного углекислого газа за время тестирования (r=0,96, р<0,001), а также достигнутой мощности нагрузки с параметрами вентиляции и гемодинамики. Полученные коэффициенты корреляции свидетельствуют о надежности анализируемых данных эргоспирометрии и позволяют выявить основные закономерности реакции кардиореспираторной системы при определении предельного уровня физической работоспособности здоровых лиц.
SUMMARY N.N.Vavilova, T.V.Smirnova, E.V.Kolotova
ERGOSPIROMETRIC EVALUATION OF FUNCTIONAL AND PHYSICAL CAPABILITIES OF HEALTHY SUBJECTS
The purpose of the present study was to investigate functional state peculiarities of oxygen transport system at maximal muscle activity. Ergospirometry was used to evaluate capacity for work in 23 men and 24 women. Veloergometric test allows to determine sexual differences in respiratory system response to physical exercise. The level of exercise correlated with exhaled CO2 volume (r=0,96, p<0,001). Exercise level correlated with ventilation and hemodynamics values. Correlation ratios suggest that ergospirometric test is a reliable technique to show cardiorespiratory system reaction patterns when determining maximum level of capacity for work in healthy subjects.
Одной из основных задач клинической физиологии мышечной деятельности является количественная оценка физической работоспособности и факторов ее ограничения. Известно, что высокий уровень физического развития является показателем стабильности здоровья, низкий рассматривается как фактор риска для здоровья. Физическая работоспособность зависит от антропометрических показателей, внешних условий, степени тренированности, функционального состояния кариореспираторной системы [1,4], состояния аэробного и анаэробного механизмов энергопродукции [6] у лиц разного возраста и пола [17].
С целью определения половых особенностей реакции дыхательной системы на физическую нагрузку были проведены исследования у 47 практически здоровых лиц. В задачи исследования входило также изучение закономерности функционирования системы транспорта кислорода в зависимости от функционирования эндокринных желез при максимальной мышечной деятельности у женщин.
Объектом исследования были 24 здоровых женщины в возрасте от 19 до 41 года (средний возраст 29,0±6,2 лет). Данные антропометрии: средний рост 161,7±3,6 см, вес 61,5±12,7 кг. Вторая группа состояла из 23 мужчин (средний возраст 33,8±1,9 лет, рост 174,8±2,2 см, вес 79,5±2,7 кг). Ростовые показатели мужчин и женщин имели достоверные различия (р<0,001).
Реакция дыхательной системы на физическую нагрузку изучалась методом эргоспирометрии на аппарате "Эрго-пневмотест" ОМ/05-Ц (Эрих Егер, Германия) с газоанализом выдыхаемого воздуха по О2 и СО2. Физическая нагрузка задавалась на велоэргометре ER-2 (Эрих Егер) в положении сидя под контролем мониторной электрокардиографии и контролем артериального давления по Короткову. Для определения толерантности к физической нагрузке использовалась нагрузка возрастающей мощности, стандартизированная по отношению к должной аэробной мощности для индивидуума данного пола, возраста и массы тела. Нагрузка начиналась свободным педалироваием без сопротивления со скоростью 40-60 об/мин продолжительностью 2 мин и возрастала через каждую минуту на 10% до максимально прогнозируемого уровня или до отказа продолжать работу с учетом симптомов ограничения нагрузки. Максимальной уровень фактически выполненной нагрузки оценивался как предел функциональных возможностей организма.
Эргоспирометрия на аппарате "Эрго-пневмотест" с машинной обработкой данных позволяет непрерывно получать каждые 15-30 с информацию о вентиляции, газообмене и газотранспорте в трех функциональных состояниях организма - в покое, во время нагрузки и после мышечной деятельности в течение 8 минут. Анализ максимальных абсолютных и относительных величин системы транспорта кислорода проводился по частоте дыхания в 1 мин (ЧД), минутному объему дыхания (МОД), максимальному потреблению кислорода (ПО2), функциональному аэробному несоответствию (ФАН), метаболической интенсивности работы (Мет).
Анаэробный компонент газообмена оценивался по количеству дополнительно выделенного неметаболического СО2 (СО2 доп.Т), дыхательному коэффициенту (ДК), анаэробной фракции работы (ААФ). Газотранспортная деятельность определялась по максимальной частоте сердечных сокращений (ЧСС), кислородному пульсу (КП). Напряжение деятельности сердечно-сосудистой системы по отношению к достигнутому уровню газообмена определялась по показателю прироста ЧСС от величины покоя до максимума к максимальной Мет (ДЧСС/Мет). Объем выполненной нагрузки оценивался в единицах работы ^) и мощности ().
С целью оценки адаптации к мышечной деятельности у 10 здоровых женщин проводился забор крови из вены до и через 10 мин после физической нагрузки. О гормональной активности надпочечниковой и тиреоидной систем судили по содержанию в крови кортизола, свободного тироксина (Т4) и трийодтиро-нина (Т3). Концентрация гормонов в сыворотке крови определялась радио-иммунным методом с использованием тестнаборов. Учитывалась фаза оварио-менструального цикла женщин. У 6 проводилось эргоспирометрическое обследование с забором крови в пременструальную фазу, у 4 - в постовуляторную.
Результаты, полученные у здоровых мужчин и женщин, сравнивались между собой методами вариационной статистики. Достоверность различий показателей между группами определялась с помощью непарного критерия t Стьюдента.
Полученные данные обработаны методом парной вариационной статистики, а также методами множественной корреляции.
Результаты эргоспирометрии, полученные у здоровых женщин и мужчин, представлены в табл.1. Абсолютные и относительные энергетические показатели толерантности к физической нагрузке у женщин были значительно ниже значений у мужчин. Суммарная величина работы ^), выполненной женщинами за время тестирования, составила 44,2±11,06 кДж, мужчинами - 82,2±6,52 кДж
(р<0,001). Максимальный уровень нагрузки, достигнутый в процессе тестирования, определялся в диапазоне от 70 до 100 % от должного для данного возраста и антропометрических параметров. Большинство мужчин контрольной группы также достигли максимально прогнозируемого уровня нагрузки.
Таблица 1
Показатели кардиореспираторной системы на высоте нагрузки у здоровых лиц
Показатель Женщины Мужчины р
W, кДж 44,2±11,06 82,2±6,52 <0,001
, Вт 159,1±21,33 254,0±18,46 <0,001
, Вт/кг 2,68±0,43 3,27±0,15 <0,001
, % долж. 84,6±11,41 99,6±3,85 <0,01
ПО2, л 1,68±0,44 2,64±0,12 <0,001
ПО2, мл/кг 27,0±3,75 33,6±1,52 <0,01
Мет 7,7±1,08 9,6±0,43 <0,001
ФАН 0,41±0,08 0,23±0,03 <0,01
ДК 1Д±0Д0 1,1±0,02 >0,05
ЧСС, в мин 166,5±12,61 162,0±2,61 >0,05
КП, мл 10,4±2,54 17,2±0,72 <0,001
ДЧСС/Мет 11,5±1,73 8,5±0,44 <0,001
ЧД, в 1 мин 33,2±4,92 32,9±1,26 >0,05
МОД, л 53,4±11,24 79,5±1,91 <0,001
ААФ, % 15,0±1,24 17,0±2,13 >0,05
ПО2^, мл 35,8±1,52 31,2±3,00 >0,05
Изменения вентиляции, газообмена и гемодинамики у женщин соответствовали уровню их энергообмена во время мышечной деятельности. Достоверные половые различия по максимальному потреблению кислорода были выявлены как в абсолютной величине (л), так и относительно веса тела (мл/кг). Эти показатели в группе мужчин были значительно выше, чем у женщин. Соответственно, уровень функционального аэробного несоответствия должному (ФАН) оказался выше у женщин. Максимальный аэробный обмен, оцененный в единицах метаболической мощности (Мет), у женщин был достоверно ниже, чем у мужчин. В то же время по мощности анаэробной фракции работы (ААФ) достоверных различий в зависимости от пола не выявлено.
Минутный объем дыхания на высоте нагрузки у мужчин существенно превышал уровень достигнутой вентиляции у женщин. Достоверных различий по частоте дыхания в сравниваемых группах не отмечено.
В ответ на физическую нагрузку в норме происходит параллельное увеличение деятельности сердечно-сосудистой системы, направленное на усиление доставки тканям кислорода и удаления продуктов метаболизма. Гемодинамические показатели на высоте нагрузки в группе мужчин были значительно выше, чем у женщин. Отмечена достоверность различий по величине кислородного пульса. Поскольку по максимальной частоте сердечных сокращений половых различий не выявлено, хронотропная реакция сердца (ДЧСС/Мет) у женщин оказалась значительно выше, чем у мужчин.
В табл. 2 представлены суммарные показатели газообмена у здоровых лиц за время тестирования. Величины потребления О2 и выделения СО2 имели достоверные половые различия. Дефицит кислорода (ПО2 Д) за время тестирования был больше в группе здоровых мужчин.
Таблица 2
Суммарные показатели газообмена у здоровых лиц за время тестирования
Таблица 3
Динамика концентрации гормонов в сыворотке крови при мышечной деятельности
Реакция надпочечников и щитовидной железы на максимальную физическую нагрузку у женщин представлена в табл. 3. Отмечается однонаправленное достоверное увеличение уровня кортизола, свободного тироксина и трийодтиронина в первые 10 мин вос-тановительного периода после максимальной велоэр-гометрической нагрузки. В ответ на переносимую физическую нагрузку прирост кортизола составил 20,1±5,43%, Т4 - 24,0±5,18%, Т3 - 7,15±1,91% от исходного уровня.
Обсуждение результатов
При сравнительном анализе данных эргоспирометрии, полученных при обследовании здоровых женщин и мужчин, обращают на себя внимание существенно более низкие показатели выполненной работы у женщин. Максимальная мощность работы, выраженная в процентах по отношению к должной, прогнозируемой для данного возраста, пола и массы тела, оказалась также ниже у женщин по сравнению с данными мужчин. Это, по-видимому, связано с более низким уровнем общей физической подготовки обследованных женщин.
Абсолютное и относительное уменьшение показателей толерантности к физической нагрузке объясняется как существенно меньшими антропометрическими параметрами женщин, так и рядом половых различий в функционировании мышечной и кардио-респираторной систем. Известно, что у взрослых мужчин мышечная масса составляет около 40% веса тела, в то время как у женщин около 30%. Кроме того, толщина всех видов мышечных волокон у женщин в среднем меньше, чем у мужчин [12]. Известно, что устойчивость к тренировочным нагрузкам у спортсменок зависит от фаз оварио-менструального цикла: высокая устойчивость к физической нагрузке
наблюдалась в постменструальную и постовулятор-ную фазы [8].
Энергетический обмен в работающих мышцах существенно зависит от соотношения аэробного и анаэробного компонентов [16,18]. Основным показателем аэробного компонента, наиболее объективно отражающим функциональные возможности кардио-респираторной системы, является величина максимального потребления кислорода. Данные литературы по ПО2, полученные разными авторами при оценке физического состояния здоровых лиц, существенно различаются, что объясняется неоднородностью контингентов здорового населения по образу жизни, питанию, степени тренированности. Наши данные совпадают с показателями аэробной деятельности лиц с обычной профессиональной деятельностью [2,
14, 17].
ПО2 на 1 кг веса тела у женщин оказался в среднем на 11% ниже, чем у мужчин. Более низкое максимальное потребление кислорода связано с меньшими кислородотранспортными возможностями женского организма, в том числе аппарата вентиляции, газотранспортной функции крови и гемодинамики. Так, уровень развиваемой вентиляции оказался значительно ниже, чем у мужчин за счет меньшего дыхательного объема. При этом частота дыхания на высоте нагрузки была одинаковой в обеих группах. Близкие данные приведены в литературе рядом авторов [13, 15].
Динамика вентиляции во время физической нагрузки, в восстановительном периоде и в состоянии покоя отражает последовательное включение механизмов обеспечения транспорта О2 и СО2 от одного уровня физического состояния к другому [9, 11]. При оценке реакции дыхательной системы на физическую нагрузку был отмечен на уровне фоновой нагрузки более высокий дыхательный эквивалент у женщин и, соответственно, более низкая газообменная эффективность вентиляции, чем у мужчин [3]. При мышечной деятельности на субмаксимальном уровне дыхательный эквивалент снижался как у мужчин, так и у женщин. При максимальной нагрузке вновь отмечалось повышение дыхательного эквивалента. Полученные данные отражают механизм компенсации развивающихся метаболических сдвигов во время мышечной деятельности.
Гемодинамические показатели, измеренные на высоте физической нагрузки, имеют высокую информативность для оценки кардиоциркуляторного резерва. Одним из важных параметров, отражающих реакцию сердечно-сосудистой системы, является кислородный пульс. Величина КП закономерно возрастала на всех фазах нагрузки. Максимальные значения КП, достигнутые на высоте физической нагрузки, оказались значительно ниже у женщин, чем у мужчин, что связано, главным образом, с меньшей величиной ударного объема крови, меньшим количеством форменных элементов крови, меньшей величиной артерио-венозной разницы по О2. Данное обстоятельство имеет важное значение в транспорте О2, а следовательно и в физической работоспособности [7].
Показатель Женщины Мужчины р
ПО2 Т, л ВСО2 Т, л ВСО2 доп Т, л ПО2 Д, л 12,8±0,73 13,2±0,67 2,64±0,26 0,29±0,03 20,5±1,03 21,1±1,06 4,31±0,38 0,43±0,04 <0,001 <0,001 <0,001 <0,01
Показатель Исходное значение После нагрузки р
Кортизол, нмоль/л 560,9±155,74 674,35±172,49 <0,01
Тироксин (Т4), нмоль/л 100,0 ±5,53 122,30 ±5,53 <0,001
Трийодтиронин (Т3), нмоль/л 1,05±0,08 1,12±0,07 <0,01
Максимальная частота сердечных сокращений на высоте физической нагрузки у мужчин и женщин достоверно не различалась. В то же время достоверное увеличение хронотропной реакции сердца относительно достигнутого уровня метаболизма (ДЧСС/Мет) у женщин по сравнению с мужчинами свидетельствует о менее рациональной реакции сердечно-сосудистой системы на предельную физическую нагрузку.
Реакция дыхательной системы по основным параметрам вентиляции, гемодинамики и газообмена, включая ЧСС и ДК, свидетельствует, прежде всего, об интенсивности выполненной работы с использованием резервных возможностей буферной системы крови [11]. Величина ДК, ААФ у женщин может быть квалифицирована как результат тяжелой работы независимо от абсолютного уровня мощности выполненной нагрузки [19]. Увеличение анаэробной суммы работы, кислородного долга в перерасчете на количество реально выполненной работы женщин свидетельствует о повышении активности гликоли-тического механизма анаэробного обеспечения энергодеятельности.
Методом многомерного корреляционного анализа была изучена взаимосвязь основных параметров системы транспорта кислорода и углекислого газа с параметрами физической работоспособности. В выборку вошли показатели всех здоровых лиц. По совокупности статистических параметров выборка является нормальной и параметрической. Обнаружена очень тесная прямая взаимосвязь выполненной работы с количеством выведенного углекислого газа за время тестирования (1=0,96, р<0,001), а также достигнутой мощности нагрузки () с параметрами вентиляции (МОД) и гемодинамики (КП, ЧСС), выражаемая следующим уравнением множественной регрессии (г=0,93, р<0,001):
(Вт) = 0,825хМОД (л)+1,123хЧСС+ +9,816хКП (мл/кг)-163,3.
Полученные коэффициенты корреляции свидетельствуют о надежности анализируемых данных эргоспирометрии и позволяют выявить основные закономерности реакции кардиореспираторной системы при определении предельного уровня физической работоспособности обследованных здоровых лиц.
С целью выявления половых особенностей факторов, определяющих физическую работоспособность женщин детородного возраста, проводился аналогичный корреляционный анализ. В этой совокупности здоровых женщин обнаружена прямая взаимосвязь максимального уровня нагрузки с уровнем максимальной вентиляции легких. Коэффициент корреляции с МОД составил 0,87 (р<0,001). Это позволило использовать уравнение линейной регрессии для определения индивидуального уровня физического состояния женщин. Максимальная мощность нагрузки определяется по формуле:
(Вт) = 60,18+1,975хМОД.
Введение гемодинамических параметров (ЧСС, КП) не улучшает полученное уравнение линейной
регрессии. Следовательно, в определении уровня физического состояния женщин указанные параметры имеют подчиненное значение.
Известно, что первоначальная задача срочных адаптационных процессов при дозированной физической нагрузке заключается в мобилизации энергетических ресурсов, транспорте кислорода и субстратов окисления, пластическом обеспечении работающих мышц. Любой адаптационный процесс в организме направлен на поддержание или восстановление постоянства внутренней среды организма. Управление механизмом общей адаптации осуществляется взаимодействием гормональных систем с нервными влияниями ЦНС. Влияние гормонов на обменные процессы важно как при мобилизации предельных возможностей организма, так и для управления восстановительными процессами в организме [5].
Нами проведен анализ динамики активности функционирования надпочечниковой и тиреоидной систем при определении максимального уровня физической работоспособности женщин детородного возраста. Отмечено достоверное повышение концентрации гормонов в сыворотке крови (кортизола, Т3, Т4) в ближайшем восстановительном периоде. Увеличение уровня кортизола в первые 30 мин работы были обнаружены также в исследованиях К.М.Карельсон и соавт. [10].
Нами проведен множественный корреляционный анализ взаимосвязи максимальных показателей энергодеятельности с параметрами гормональной системы, измеренными в состоянии покоя и в востанови-тельном периоде. В общей совокупности здоровых женщин корреляция между исходным уровнем гормонов (кортизола, Т3, Т4) и достигнутым уровнем работы ^) и мощности () была незначимой (г= -
0,23, р>0,05). Взаимосвязь между достигнутым уровнем гормонов при мышечной деятельности с указанными параметрами физической работоспособности имела аналогичный характер.
Согласованность изменений уровня изучаемых гормонов в динамике свидетельствует об участии указанных желез внутренней секреции в регуляции перестройки обмена веществ и интенсивности функционирования ведущих систем организма во время мышечной деятельности. Известно, что тироксин усиливает главным образом свободное окисление, обеспечивая процесс теплорегуляции, в то время как кортизол, угнетая общую интенсивность окисления, активизирует образование фосфорных соединений, богатых энергией. Тем самым осуществляется коррекция механизма общей защитной реакции организма. Множественный корреляционный анализ показал достоверную взаимосвязь между достигнутыми уровнями Т3 и кортизола во время мышечной деятельности. Коэффициент корреляции составил 0,90 (р<0,001).
Таким образом, установлено, что у здоровых женщин выявлены более низкие абсолютный и относительный уровни толерантности к физической нагрузке, чем у мужчин, что связано с меньшей газообменной эффективностью вентиляции и менее рацио-
нальной деятельностью сердечно-сосудистой системы при мышечной деятельности. Разработанные нами уравнения регрессии могут быть использованы для расчета должных значений максимальной физической работоспособности у здоровых лиц.
Динамика активности изучаемых желез внутренней секреции позволяет говорить о том, что с функцией эндокринных желез связаны все виды деятельности, в том числе и мышечная. В свою очередь, сама мышечная деятельность может вызвать существенный сдвиг в деятельности эндокринных желез. Активность надпочечников и щитовидной железы интенсивно возрастает в процессе максимальной мышечной деятельности, обеспечивая общий фон для приспособления к нагрузке. Роль изучаемых гормонов (кортизола, Т3, Т4) в определении уровня физической работоспособности не является самостоятельной, однако в комплексной нервно-гуморальной регуляции они обеспечивают высокий уровень обмена веществ при работе ведущих систем транспорта кислорода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адоньев Б.И., Сермягин Н.Ф. Двухэтапная ве-лоспироэргометрия у здоровых лиц как метод определения резервов функционального состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем //Кардиология.-1990.-Т. 30, №1.-С.83-84.
2. Аулик И.В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. - М.: Медицина, 1979. - 192 с.
3. Вавилова Н.Н. Оценка функционального состояния системы транспорта кислорода у здоровых лиц методом эргоспирометрии//Молодые ученые-медики - науке и практическому здравоохранению: Сб.докл.конф. молодых ученых СО АМН СССР -Новосибирск, 1990.-С.7-8.
4. Ванюшин Ю.С., Ситдиков Ф.Г. Адаптация сердечной деятельности и состояние газообмена у спортсменов к физической нагрузке//Физиология человека.-1997.-Т.23, №4.-С.58-63.
5. Виру А. А., Кырге П.К. Гормоны и физическая работоспособность.-М.: ФиС, 1983.- 159 с.
6. Зайцева В.В., Сонькин В. Д., Бурчик М.В., Корниенко И. А. Оценка информативности эргометрических показателей работоспособности//Физиология человека.-1997.-Т.23, №6.-С.69-73.
7. Иванов А.О., Горанчук В.В., Шостак В.И., Ко-сенков Н.И. Физиологические резервы газотранс-
портной функции крови при кратковременных физических динамических нагрузках//Физиология челове-ка.-1997.-Т.23, №6.-С. 77-82.
8. Камаев О.И., Мулик В.В., Попова Ю.В. Оценка адаптации к тренировочным нагрузкам у лыж-ниц//Физиологические механизмы адаптации к мышечной деятельности :Тез.докл.науч.конф.-М., 1984.-С. 99-100.
9. Канаев Н.Н. Особенности реакции дыхания на физическую нагрузку // Руководство по клинической физиологии дыхания/ Под ред. Л.Л. Шика, Н.Н. Ка-наева. - Л., 1980. - С. 233-294.
10. Карельсон К.М., Виру А.А., Смирнова Т.А. и др. Динамика активности гипофизарно-адренокорти-кальной системы и соматотропной функции при длительной работе//Физиологические механизмы адаптации к мышечной деятельности: Тез.докл.науч. конф. -М., 1984.- С.103.
11. Коц Я.М. Вегетативные системы обеспечения мышечной деятельности // Физиология мышечной деятельности/ Под ред. Я.М. Коца. - М.: ФиС, 1982. -С. 300-302, 331-336.
12. Коц Я.М. Физиологические особенности физической тренировки женщин // Спортивная физиология/ Под ред. Я.М.Коца. - М.: ФиС,1986. - С. 179193.
13. Лапицкий В.Г. Врачебный контроль за женщинами // Спортивная медицина/ Под ред. А.В. Чо-говадзе, Л.А.Бутченко. - М.: Медицина, 1984.- С. 319-327.
14. Пирогова Е.А., Иващенко Л.Я., Страпко Н.П. Влияние физических упражнений на работоспособность и здоровье человека. - Киев: Здоровья, 1986. -С. 4-143.
15. Попов С.Н., Белина О.Н. Медицинский контроль за женщинами //Спортивная медицина/ Под ред. В .Л. Карпмана. - М.: ФиС,1987. - С. 214-220.
16. Яковлев Н.Н. Биохимия спорта. - М.: ФиС, 1974. - 288 с.
17. Ярошенко Ю.Т. Показатели спироэргометрии у практически здоровых мужчин в различные возрастные периоды // Врач.дело. - 1983. - № 9. - С. 22-25.
18. Wasserman K., Whipp B.J. Exercise physiology in health and disease // Am.Rev.Resp.Dis. - 1975. - Vol. 112. - P. 219-249.
19.Wasserman K., Whipp B.J., Davis J.A. Respiratory physiology of exercise: metabolism, gas exchange, and ventilatory control//Int.Rev.Physiol.- 1981.- Vol.23. - P.149-211.
П □ □
