CC BY
18гендерзависимые ассоциации биомеханики и вариабельности ходьбы людей среднего возраста
УДК/UDC 796.012.412.3: 620.95
Поступила в редакцию 10.03.2020 г.
Информация для связи с автором: logsi@list.ru
Доктор биологических наук, профессор С.И. Логинов1 Кандидат биологических наук А.С. Кинтюхин1 Кандидат биологических наук, доцент А.С. Снигирев1 Кандидат биологических наук Р.О. Солодилов1
1 Сургутский государственный университет, Сургут
GENDER-RELATED FEATURES OF BIOMECHANICS AND VARIABILITY OF TREADMILL WALKING IN MIDDLE-AGED PEOPLE
Dr. Biol., Professor S.I. Loginov1 PhD A.S. Kintyukhin1
PhD, Associate Professor A.S. Snigirev1 PhD R.O. Solodilov1
1 Surgut State University, Surgut
□ и
£ г. CL
ч—
О OJ и
CL ' -о с
га
^
О (U .с I—
Аннотация
Цель исследования - выявить зависимость расхода энергии от каденции ходьбы у людей среднего возраста в условиях урбанизированного Югорского Севера.
Методика и организация исследования. В выборке индивидов среднего возраста (п=31, возраст 41,7±9,55 года, в том числе 58% мужчин) изучена взаимосвязь каденции ходьбы с её метаболической стоимостью в пределах 3-6 МЕТ. Участники ходили по беговой дорожке со скоростью 2-^7 км/ч в течение 5 мин на каждой скорости. Регистрировали потребление кислорода, частоту дыхания и сердечных сокращений, определяли параметры шага (длительность полного шага, амплитуда моды, индекс ходьбы, длительность шага, длительность опоры ноги, длительность переноса ноги). Измеряли длину ноги, длину и массу тела.
Результаты исследования и выводы. Установлено, что по мере увеличения скорости ходьбы величина исследуемых показателей возрастает р <0,05). Зависимость затраты энергии (Е, МЕТ) от величины каденции ходьбы (КХ, шаг/мин) отображается уравнением вида: Е = 6,18-0,102КХ+0,0008КХ2 - у мужчин и Е = 5,17-0,084КХ+0,0007КХ2 - у женщин, где Е - расход энергии в МЕТ, КХ - величина каденции в шаг/мин; 0,102, 0,084, 0,0008 и 0,0007 -эмпирические коэффициенты. Индекс ходьбы при изменении скорости от 2 до 7 км/ч увеличивается в 23,9 раза у мужчин и в 12,6 раза - у женщин, что может свидетельствовать о существенном напряжении нейролокомоторных механизмов регуляции ходьбы с возрастающей скоростью. Таким образом, в условиях Севера людям среднего возраста можно рекомендовать ходьбу с каденцией 74-126 шаг/мин для мужчин и 86- 132 шаг/ мин -для женщин в диапазоне интенсивности от умеренной до высокой (3-6 МЕТ) с индексом ходьбы в пределах 816-1422 у. е. у мужчин, 546- 1493 у.е. -у женщин.
Ключевые слова: каденция, ходьба, индекс ходьбы, потребление О2, студенты.
Annotation
Objective of the study was to identify the dependence of energy consumption on walking cadence in middle-aged people in conditions of urbanized Yugra North. Methods and structure of the study. A total of 31 middle-aged people (mean age - 41.7±9.55, including 58% of males) were tested by walking on a treadmill with an incrementally-increasing speed of 2^7 km/h, 5 min at each speed. We studied the correlation between the treadmill walking cadence and its metabolic cost within 3-6 MET. The following measurements were taken: oxygen (02) consumption, respiratory rate and heart rate, step parameters (full step duration, mode amplitude, walking index, step length, foot support duration, leg transfer duration). Besides, we measured the leg length, body length and mass. Study results and conclusions. It was found that with the increasing walking speed, the studied indices increased as well (t-test, p<0.05). The dependence of energy consumption (E, MET) on the walking cadence (WC, steps/min) rate is expressed in the equation as follows: E = 6.18-0.102WC+0.0008WC2 - in the males and E = 5.17-0.084WC+0.0007WC2 - in the females, where E is the energy consumption in MET, WC is the walking cadence rate in steps/min; 0.102, 0.084, 0.0008 and 0.0007 are empirical coefficients. With an increase in the walking speed from 2 to 7 km/h, the walking index increased 23.9 times in the males and 12.6 times in the females, which may indicate a significant tension of the neuro-locomotor mechanisms of regulation of walking with the increasing speed. Therefore, in extreme conditions of the North, middle-aged people can be recommended walking with cadence of 74-126 steps/min for the males and 86132 steps/min for the females within the moderate-to-high intensity range (3-6 MET) with the walking index of 816-1422 c.u. for the males, 546-1493 c.u. for the females.
Keywords: cadence, students.
walking, walking index, oxygen (O2) consumption,
Введение. Категория людей среднего возраста (45-59 лет по классификации ВОЗ) составляет примерно 22 % всего населения России [2]. По имеющимся данным эта категория имеет потребность в двигательной активности, но в меньшей степени участвует в ее организованных формах в отличие от лиц молодого возраста, в особенности студентов, которые в рамках учебного процесса посещают занятия физической культурой [3]. Лица среднего возраста в этом смысле могут надеяться только на себя и посещать спортивные залы и бассейны, предоставляемые работодателями, или заниматься в фитнес-центрах
на платной основе для повышения физиологического статуса. Ходьба как средство оздоровительной физической культуры была бы предпочтительна для этой категории, так как не требует помещений и больших дополнительных финансовых затрат. С этой целью она выполняется с умеренной интенсивностью в диапазоне от 3 до 6 МЕТ [5]. Между тем до сих пор не понятен механизм действия темпа ходьбы, определяемого длиной шага, и ритма ходьбы, задаваемого частотой шагов у лиц среднего возраста. Вместе эти два параметра характеризуют каденцию ходьбы (шаг/мин) [6], которая при ходьбе на расстояние боль-
92
http://www.teoriya.ru
№5 • 2020 Май | May
шее 1 км без остановки выбирается человеком непроизвольно по принципу преферендума [1].
Цель исследования - выявить зависимость расхода энергии от каденции ходьбы у людей среднего возраста в условиях урбанизированного Югорского Севера.
Методика и организация исследования. В работе приняли участие люди среднего возраста (n=31, из них 18 мужчин в возрасте 41,1±9,4 года и 13 женщин 42,3±9,7 года). Все участники до начала исследования подписали информированное согласие. Противопоказаний к тестам c физической нагрузкой не имели. Независимой переменной являлась ходьба на беговой дорожке Matrix со скоростью 2-7 км/ч по 5 мин на каждой скорости, общая продолжительность теста - 30 мин. Для определения параметров дыхания и основного обмена использовали метаболограф Fitmate Pro фирмы COSMED (Италия). В качестве зависимых переменных регистрировали частоту дыхания (ЧД, раз/мин), потребление кислорода (П02, мл/мин), относительное потребление кислорода (ОПО2, мл/мин/кг), частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин). Данные П02 и ЧСС усредняли каждые 15 с, передавали на персональный компьютер для отображения и сохраняли во внутренней базе данных для последующего анализа. Шаги регистрировали с помощью видеокамеры GoPro Hero 6 Black, с частотой 120 кадров/с. Рассчитывали длительность полного шага (ДПШ, с), амплитуду моды (АМ, %), индекс ходьбы (ИХ, у. е.), длительность шага (ДШ, мм), измеряли длину ноги (м), длину и массу тела (м, кг). Индекс ходьбы рассчитывали по формуле: ИХ = АМо/(2 * Мо * dX), где Мо - значение модального класса, с; АМо - амплитуда моды в %; dX - вариационный размах (разность между наибольшим и наименьшим значением интервала), с. Статистическую обработку проводили с помощью пакета программ Statistica, v.10 (StatSoft, США). Предварительно оценивали нормальность распределения. Рассчитывали среднее арифметическое (Х), средне-квадратическое отклонение (SD), 0,95 доверительный интервал (±0,95 ДИ), проводили корреляционный и регрессионный анализы. Для оценки достоверности наблюдаемых различий использовали двусторонний t-test для связанных и несвязанных групп, а также непараметрический критерий Уилкоксона, Манна, Уитни при уровне значимости p<0,05.
Результаты исследования и их обсуждение. В исследуемой выборке индивидов среднего возраста мужчины имели существенно большие длину тела и длину ноги (p<0,05), но не отличались от женщин по возрасту, массе тела и индексу массы тела (табл. 1).
По мере увеличения скорости ходьбы существенно повышались величины относительного потребления кислорода и легочной вентиляции, а при скорости 4 км/ч и далее возрастали все остальные показатели, кроме показателя концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе у мужчин. У женщин он снижался по сравнению с покоем и был выше данных мужчин на 6-й и 7-й скоростях (табл. 2).
По мере увеличения скорости ходьбы изменялась временная и биомеханическая структура шага. На скорости 3 км/ч и далее возрастала амплитуда моды и длина шага (p<0,05). Показатели длительности опоры и переноса ноги не менялись (табл. 3).
Таблица 1. Возраст и антропометрические показатели, X ± SD
Показатели Мужчины,n=18 Женщины, n=13
Возраст, лет 41,1±9,4 42,3±9,7
Длина тела, м 1,73±0,04 1,63±0,07*
Масса тела, кг 76,8±9,2 72,4±8,1
ИМТ, кг/м2 25,6±2,4 27,2±3,1
Длина ноги, м 0,88±0,03 0,85±0,04*
Индекс ходьбы увеличивался уже на скорости 3 км/ч как у мужчин, так и у женщин, однако наиболее значимым этот рост становился при скорости движения 5 км/ч у мужчин и 4, 5, 6 км/ч у женщин (см. табл. 3).
Оценка метаболической стоимости каденции ходьбы выявила различные результаты у мужчин и женщин среднего возраста. При ходьбе умеренной интенсивности в 3 МЕТ мужчины делали в среднем 74 шага за 1 мин, тогда как женщины - 86 шаг/мин. При интенсивности ходьбы в 6 МЕТ мужчины выполняли в среднем 126 шаг/мин, а женщины -132 шаг/мин.
Обсуждение результатов исследования. В данной работе мы попытались выяснить взаимоотношения между показателями, характеризующими каденцию ходьбы людей среднего возраста с позиций биоэнергетики и биомеханики с учетом половой принадлежности. В предыдущей работе из этой серии [1] мы установили, что каденция ходьбы молодых взрослых индивидов четко определяется затратой энергии и составляет при 3 МЕТ (умеренная интенсивность) 96 шаг/мин у женщин и 92 шаг/мин - у молодых мужчин, что вполне соответствовало их комфортным ощущениям при ходьбе. При 6 МЕТ (высокая интенсивность) каденция составляла 141 шаг/мин у мужчин и 142 шаг/мин - у женщин и для многих была некомфортной.
У лиц среднего возраста величина каденции уменьшается при тех же затратах энергии, что может свидетельствовать о снижении работоспособности организма испытуемых данной выборочной совокупности. Остается открытым вопрос, насколько результаты нашего исследования отражают данные более обширной популяции лиц среднего возраста. Для этого необходимы дальнейшие исследования на более представительной выборке. В аналогичном исследовании значения каденции (шаг/мин) с затратами энергии в 3 МЕТ составляли 95,9 шаг/мин и в 6 МЕТ - 119,3 шаг/мин у людей в возрасте 18-20 лет [6]. В другом исследовании повышенная вариабельность шагов была связана с более высокими затратами энергии [5]. Причины могут следующие: 1) увеличенное число шагов с энергетически неоптимальной комбинацией длины и темпа шагов; 2) увеличение стоимости ходьбы, вызванное активными настройками обратной связи для восстановления оптимальных параметров походки, которые требуют более высокой мышечной активности [4]. Таким образом, весьма вероятно, что благодаря интеграции механизмов прямой связи (из внутренних моделей) и обратной связи (из сенсорных входов) механизмы непрерывной регулировки основных параметров каденции ходьбы выполняются с помощью получения низкой вариабельности в ряду шаг за шагом и, следовательно, достижения оптимального уровня затрат энергии.
Наряду с метаболической характеристикой оптимальной каденции мы определили вариабельность шагов при разных скоростях движения и ее обобщенный показатель - индекс ходьбы, выдвинутый нами на основе анализа временных рядов длительности полного шага. В наших наблюдениях индекс ходьбы увеличивается по мере роста скорости ходьбы с 2 до 7 км/ч в 23,8 раза у мужчин и в 12,6 раза у женщин (см. табл. 2). На этом основании можно предполагать о существенном напряжении регуляторных механизмов.
Таким образом, в условиях Севера людям среднего возраста можно рекомендовать ходьбу с каденцией 74-126 шаг/мин для мужчин и 86-132 шаг/мин - для женщин в диапазоне интенсивности от умеренной до высокой (3-6 МЕТ) с индексом ходьбы в пределах 816-1422 у. е. - у мужчин, 546-1493 у. е. - у женщин.
Работа выполнена в рамках государственного задания при финансовой поддержке Департамента образования и молодежной политики Ханты-Мансийского автономного
№ 5 • 2020 Май | May
http://www.teoriya.ru
Таблица 2. Динамика показателей кардиореспираторной системы людей среднего возраста в покое и при разной скорости ходьбы на тред-миле (Х^), п=31.
Показатели Скорость ходьбы, км/ч
Покой 2 3 4 5 6 7
Мужчины (41,1±9,4), n=18
ЧД, экс/мин 15,7±2,5 21,3±3,7 21,5±3,7 22,2±3,6 23,1±3,7# 24,1±4,1 ▲# 27,3±4,8 ▲#
ЛВ, л/мин 8,4±1,7 20,2±3,5 23,8±4,4А 27,0±4,9А 30,9±5,4А 37,4±6,8А 48,5±9,7А
ОПО2, мл/кг/мин 3,5±0,6 9,5±1,7 11,3±2 ▲ 13,0±2,3А 15,3±2,5 ▲ 18,6±2,6А 22,8±2,9А
КО2, % 17,1±0,2 16,5±0,5 16,4±0,5 16,4±0,5 16,2±0,6 16,1±0,7# 16,3±0,8#
ЧСС, уд/мин 70,9±10,5 88,3±11,6 92,5±11,6 99±11,1 ▲# 105,8±11,6 ▲# 116,3±12 ▲# 132±12,4А#
ДО, л/мин 0,6±0,1 1,0±0,2 1,1±0,2 1,3±0,2 ▲ 1,4±0,2А 1,6±0,2А# 1,8±0,2А
Женщины (42,3±9,7), n=13
ЧД, экс/мин 17,1±2,6 22,2±3,3 23±3,8 24,2±3,9 26±4,2А 28,7±4,9А 32,3±4,9А
ЛВ, л/мин 8,1±1,9 19,5±3,9 23,6±4,4А 27,2±5,1 ▲ 32,5±6,2А 39,7±6,9А 53±9Ж
ОПО2, мл/кг/мин 3,2±0,8 9,8±1,5 11,7±1,5 ▲ 13,4±1,6А 15,8±2,3А 18,4±2,3А 22,2±2,9А
КО2, % 17,5±0,4 16,5±0,4 16,8±1,1 16,5±0,5 16,6±0,4 16,7±0,3 17±0,3А
ЧСС, уд/мин 79,2±9,3 94,3±11,8 99,9±10,2 110±13,6А 119±15,6 ▲ 133±17,8А 151±16,3 ▲
ДО, л/мин 0,5±0,1 0,9±0,3 1,1±0,3 1,2±0,3А 1,3±0,3А 1,4±0,3А 1,7±0,3А
Условные обозначения: * - уровень значимости различий по сравнению с данными в покое у мужчин и женщин, уровень значимости различий по сравнению с данными при 2 км/ч у мужчин и женщин, # - уровень значимости различий между показателями мужчин и женщин, р<0,05 (X±SD) - среднее арифметическое и стандартное отклонение. ЧД - частота дыхания, экс/мин, ЧСС - частота сердечных сокращений, уд/мин, ЛВ - легочная вентиляция, л/мин, ОПО2 - относительное потребление кислорода, мл/мин/кг, КО2 - концентрация кислорода в выдыхаемом воздухе, %, ДО - дыхательный объем легких, л/мин.
Таблица 3. Динамика параметров ходьбы молодых людей при разной скорости движения на тредмиле (X±SD), п=37
Показатели Скорость ходьбы, км/ч
2 3 4 5 6 7
Мужчины (41,1±9,4), n=18
ДПШ, с 0,7±0,1 0,6±0,04 0,6±0,03 0,5±0,02* 0,5±0,04 0,4±0,02
АМ, % 17±3,9 31±5* 36,3±1,7 46,7±7,7* 53,3±4,6 57,6±13,1
ИХ, у.е. 123,6±103,1 469,4±156* 815,8±519,3 1422,1±639,7* 1897,5±580,2 2945,1±1513,7
ДШ, мм 354,9±44,9 440,7±39* 515,1±25,1 566,1±45,2* 625±31,3 646,5±51,7
ДОН, с 0,1±0,4 0,2±0,3 0,2±0,3 0,1±0,3 0,2±0,5 0,1±0,2
ДПН, с 0,3±0,1 0,2±0,01 0,2±0,01 0,2±0,01 0,2±0,01 0,1±0,2
Женщины (42,3±9,7), n=13
ДПШ, с 0,6±0,2 0,6±0,05 0,5±0,1* 0,4±0,1* 0,4±0,1* 0,4±0,02
АМ, % 17,9±8,1 29,9±8,4* 38±14,4* 47,1±8* 47,0±15,7* 52,5±4,9
ИХ, у.е. 208,8±356,8 545,6±309,7* 1493,1±2087,3* 2063,8±1734,5* 2468,1±2552,6* 2636,9±402,9
ДШ, мм 576,1±176,9 841,4±226,2* 845,9±315,5* 1027,4±279,6* 1027,6±336,6* 996,6±610,8
ДОН, с 0,3±0,3 0,2±0,3 0,1±0,3 0,1±0,2 0,1±0,2 0,2±0,01
ДПН, с 0,2±0,1 0,2±0,01 0,2±0,04 0,2±0,03 0,2±0,03 0,2±0,01
Условные обозначения. ДПШ - длительность полного шага (с), ИХ - индекс ходьбы (у. е.), ДШ - длина шага (мм), ДОН - длительность опоры ноги (сек), ДПН - длительность переноса ноги (с), * - достоверно при уровне значимости р<0,05, между 2 км/ч и 3^7 км/ч.
□ и
£ г. CL
ч—
О 0J и
CL ' -о с га
Ii
О (U .с Н
округа - Югры «Разработка и внедрение новых технологических решений оптимизации физической активности и здоровья, установление закономерностей реакции организма на физические нагрузки разной модальности в условиях ХМАО-Югры».
Литература
1. Логинов С.И. Гендерзависимые особенности биомеханики и вариабельности ходьбы молодых людей на тредмиле в условиях лабораторного исследования / С.И. Логинов, А.С. Кинтюхин, А.С. Снигирев, Р.О. Солодилов // Теория и практика физ. культуры. - 2020. - №1. - С. 87-89.
2. Население России по полу и возрасту: статистика, распределение // Statdata.ru. Электронный ресурс. Дата обращения 11.03.2020.
3. Чайковская О.Е. Влияние двигательной активности на жизнеспособность лиц среднего возраста / О.Е. Чайковская // Педагогический журнал. - 2018. - Т. 8. - № 1 А. - С. 354-360.
References
1. 1. Loginov S.I., Kintyukhin A.S., Snigirev A.S., Solodilov R.O. Gender-zavisimye osobennosti biomekhaniki i variabelnosti hodbyi molodykh lyudey na tredmile v usloviyakh laboratornogo issledovaniya [Gender-
Related Features of Biomechanics and Variability of Treadmill Walking in Young People in Laboratory Study]. Teoriya i praktika fiz. kulturyi. 2020. No.1. pp. 87-89.
2. Naselenie Rossii po polu i vozrastu: statistika, raspredelenie [Russian population by gender and age: statistics, distribution]. Statdata.ru. [Electronic resource]. Date of access: 11.03.2020.
3. Chaykovskaya O.E. Vliyanie dvigatelnoy aktivnosti na zhiznesposobnost lits srednego vozrasta [Effect of motor activity on vitality of middle-aged people]. Pedagogicheskiy zhurnal. 2018. v. 8. No. 1 A. pp. 354-360.
4. Donelan J.M., Shipman D.W., Kram R., Kuo A.D. Mechanical and metabolic requirements for active lateral stabilization in human walking. J. Biomech. 2004. V. 37. P. 827-835.
5. O'Connor S.M., Xu H.Z., Kuo A.D. Energetic cost of walking with increased step variability. Gait Posture. 2012. V. 36. pp. 102-107.
6. Tudor-Locke C., Han H., Aguiar E.J., Barreira T.V., Schuna J.M., Kang M., Rowe D.A. How fast is fast enough? Walking cadence (steps/min) as a practical estimate of intensity in adults: a narrative review. Br. J. Sports. Med. 2018. V. 52. N 12. P. 776-788. doi: 10.1136/bjsports-2017-097628.
7. Tudor-Locke C., Schuna J.M., Han H., Aguiar E.J., Larrivee S., Hsia D.S., Ducharme S.W., Barreira T.V., Johnson W.D. Cadence (steps/ min) and intensity during ambulation in 6-20 year olds: the CADENCE-kids study. Int. J. Behav. Nutr. Phys. Act. 2018. V. 15. N 1. 20. doi: 10.1186/s12966-018-0651-y.
http://www.teoriya.ru
№5 • 2020 Май | May
