CC BY
358
12
Технические средства и технологии обеспечения Безопасности человека
УДК 615.47:616-085
С. П. Кропотов, канд. мед. наук, заместитель начальника Центра, М. В. Кабанов, младший научный сотрудник, И. С. Мордовин, канд. мед. наук, начальник отдела, А. В. Зайцева, инженер-программист, А. С. Головина, научный сотрудник,
ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем» (ГосНИИПП), Санкт-Петербург
Нагрузочные протоколы при тестировании физической работоспособности методом спироэргометрии
Ключевые слова: нагрузочный протокол, мощность нагрузки, эргометр. Keywords: protocol, workload, ergometer.
В обзоре проанализированы актуальные вопросы определения мощности нагрузки при использовании бегущей дорожки, велоэргометра и ручного эргометра, а также представленные в литературе нагрузочные протоколы для них.
Введение
В последнее время при оценке функционального состояния как больных, так и здоровых людей все более широко используется спироэргометрия — метод исследования, при проведении которого на фоне дозируемой физической нагрузки осуществляется одномоментная регистрация ЭКГ, пневмотахограм-мы, изменения парциальных давлений кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Анализ данных и производных показателей во взаимосвязи друг с другом позволяет объективно оценить возможности организма обследуемого и выявить заболевания, проявляющиеся только во время физических нагрузок. Это исследование находит все большее применение при обследовании людей, испытывающих в своей профессиональной деятельности физические нагрузки, по своему уровню приближающиеся к максимальным.
Для получения сравнимых, воспроизводимых и удобных для оценки спироэргометрических показателей требуются эффективные методы дозирования физической нагрузки, так называемые нагрузочные протоколы. Известно, что использование при спироэргометрии самого распространенного в мире нагрузочного протокола — протокола R. Bru-se [1] — приводит к искажению получаемых дан-
ных вследствие слишком большого шага изменения нагрузки [2].
Цель нашего исследования — проанализировать предлагаемые методы оценки мощности нагрузки при использовании различных типов эргометров и способы создания нагрузочных протоколов с нарастающей интенсивностью нагрузки. Анализ был выполнен на основе 19 научных статей и 4 руководств, отобранных из научных баз данных NBCI (PubMed) и eLibrary.
Способы определения мощности нагрузки при использовании различных типов эргометров
Наиболее распространенным видом эргометров являются велоэргометры благодаря их компактности и дешевизне. Их главными преимуществами являются возможность точного расчета нагрузки, удобство забора крови, измерения артериального давления и низкий уровень помех получаемых показателей [3].
Ручной (кранк) эргометр отличается от велоэргометра лишь тем, что имеет ручной привод. В целом ручные эргометры используются редко. Обычно они требуются для обследования больных, у которых парализованы или ампутированы ноги, либо спортсменов, выполняющих нагрузку руками [4].
Менее распространены, чем велоэргометры, бегущие дорожки (тредмилы, тредбаны). Это связано с тем, что они, как правило, дороже и занимают больше места, кроме того, точное определение мощности нагрузки на бегущей дорожке затруднительно. Основным преимуществом бегущих дорожек яв-
ляется то, что выполняемая нагрузка значительно ближе к естественной — ходьбе или бегу.
В указанных эргометрах в основном используются два способа определения нагрузки.
Первый — ф и з и ч е с к и й: расчет мощности нагрузки осуществляется, основываясь либо на скорости вращения маховика и вращающего момента рычагов (для велоэргометра и ручного эргометра), либо в случае бегущей дорожки на сумме сил, действующих на тело, движущееся по наклонной плоскости. При этом из-за несущественности, а также высокой сложности точного определения вклада в нагрузку силы трения большинство авторов ею пренебрегают [5].
Расчет нагрузки на велоэргометре не представляет трудностей, потому что в каждый конкретный момент времени мощность равна произведению суммарного вращающего момента обеих педалей и угловой скорости вращения маховика [6]:
Р = , (1)
где Р — мощность; tn — суммарный вращающий момент обеих педалей; ю — моментальная угловая скорость вращения маховика.
Вращающий момент каждой педали определяется по формуле [7]
t = -FtL sin Ac, (2)
где L — длина плеча педали; Ac — угловая позиция плеча педали; Ft — сила, которая измерена датчиками (рассчитывается исходя из массы маховика и его скорости) [7] и связана с силой, приложенной к педали при ее нажатии ногой, следующей зависимостью [7]:
Ft = Ff sin Ар, (3)
где Ff — сила, приложенная к площадке педали при ее нажатии ногой; Ар — угол между площадкой педали и горизонталью.
Расчет нагрузки на ручном эргометре аналогичен таковому на велоэргометре.
Определение мощности нагрузки на бегущей дорожке намного сложнее. Нагрузка на дорожке задается с помощью изменения скорости движения ленты (далее просто скорости) и угла подъема полотна дорожки (далее угла подъема), обычно измеряемого в градусах или процентах, представляющих собой отношение длины полотна дорожки к высоте подъема. В отличие от велоэргометра определение нагрузки в ваттах на беговой дорожке представляет существенные трудности.
Предложен целый ряд формул для определения нагрузки на беговой дорожке. Как уже указывалось, практически во всех из них игнорируется сила трения. Ведь при движении человека по дорожке сила трения зависит от свойств ленты дорожки и подошв
ботинок испытуемого. Кроме того, в большинстве формул не учитываются разница между ходьбой и бегом, а также антропометрические особенности человека [5].
Рассмотрим ряд формул, используемых для определения нагрузки в ваттах. Формула ATS (American Thoracic Society) в случае измерения скорости в километрах в час имеет следующий вид [22]:
W = Мт 9,81v sin а. (4)
Если скорость измеряется в метрах в секунду, то формула имеет следующий вид [22]:
W = Мт2,725и sin а, (5)
где W — нагрузка, Вт; Мт — масса тела, кг; v — скорость, км/ч; а — угол подъема,
Как легко заметить, если угол подъема равен нулю, то и нагрузка равна нулю. Это в некоторой степени отражает то, что при перемещении по открытой местности человек испытывает сопротивление воздуха, которого нет на бегущей дорожке. Передвижению по открытой местности соответствует угол подъема полотна дорожки, равный 1 % [8].
Для того чтобы учитывать вид нагрузки, H. Eschenbacher [5] предложил модифицировать формулу ATS следующим образом [5]:
W = M.r2,725v(K + sin а), (6)
где W — нагрузка, Вт; Мт — масса тела, кг; v — скорость, км/ч; а — угол подъема, для ходьбы K = 0,05, для бега K = 0,06.
Не менее широкое применение, чем формула ATS, находит формула Брюса, имеющая все те же слабые места, что и формула ATS [5]:
W = M1,(g/3,6)v sin а, (7)
где W — нагрузка, Вт; Мт — масса тела, кг; v — скорость, км/ч; а — угол подъема, g — ускорение свободного падения.
Как видно из рис. 1 и 2, мощности нагрузки, рассчитанные по различным формулам, при одном и том же значении угла подъема или скорости движения различаются. Более того, значительно различается интенсивность нагрузки, рассчитанная по различным формулам, при условии сохранения постоянных угла наклона полотна или скорости движения ленты бегущей дорожки. Кроме того, нагрузка, рассчитанная по модификации формулы ATS, для шага или бега различается незначительно, что не отражает реальной разницы в затратах энергии на выполнение этих видов движения. Из-за этого некоторые авторы [2] предлагают полностью отказаться от расчета мощности нагрузки при использовании бегущей дорожки.
300
250
200
150
100
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Рис. 1
Отношение мощности нагрузки по оси y [рассчитанной по формуле R. Bruce (1), стандартной формуле ATS (2) и ее модификациям для шага (3) и бега (4)] к углу подъема, , полотна бегущей дорожки (ось х) при скорости 5 км/ч
120
100--1
80
60
40
20
3 2
X X X чК >< х X X X X X X X К К X X X X X X
1
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15
Рис. 2
Отношение мощности нагрузки [рассчитанной по формуле R. Bruce (1), стандартной формуле ATS (2) и ее модификациях для шага (3) и бега (4)] к скорости, км/ч, движения ленты бегущей дорожки при угле подъема 5°
Вторым способом измерения нагрузки является ф и з и о л о г и ч е с к и й, основанный на оценке энергетических трат организма. Нагрузка в этом случае описывается в единицах потребления кислорода. Широко используются единицы, называемые метами, при этом 1 мет равен 3,5 мл/(мин • кг), что примерно соответствует потреблению кислорода здоровым человеком в состоянии покоя.
Некоторые производители на основе эмпирических данных создают для своих бегущих дорожек формулы расчета нагрузок. Для этого оценива-
ют кислородную стоимость выполнения различных уровней нагрузки на бегущей дорожке [9]. Затем путем регрессионного анализа определяют зависимость скорости потребления кислорода от скорости движения и угла наклона и, используя формулу К. Wasserman et а1. [2], связывающую потребление кислорода и нагрузку, определяют мощность нагрузки. Таким образом, выводят формулу зависимости нагрузки от скорости движения, угла подъема дорожки и массы испытуемого, учитывающую свойства ленты конкретной дорожки [5].
0
4
0
Способы создания нагрузочных протоколов
Обычно при выполнении тестирования задается нагрузка различной, чаще всего нарастающей, мощности. Каждый из уровней мощности нагрузки принято называть ступенью. Виды протоколов, используемых для спироэргометрии, представлены на рис. 3.
При выполнении нагрузочного тестирования чаще всего используется протокол, созданный К. Вгиве и являющийся типичным протоколом со ступенчато нарастающим уровнем мощности. Около 60 % всех нагрузочных тестов в мире проводится с использованием этого протокола [10]. К сожалению, использование протокола К. Вгиве снижает чувствительность метода спироэргометрии из-за большой длительности ступеней и большого прироста нагрузки между ними [2]. Более эффективен рамп-протокол [11], который предполагает более линейное увеличение нагрузки, например каждую секунду на 0,5 Вт. Следует учитывать, что организму человека требуется более минуты на то, чтобы поднять потребление кислорода до требуемого уровня. Поэтому, если просто сделать ступени длительностью не более 30 с, можно получить практически линейное увеличение показателей. Например, предложено использовать протокол с увеличением нагрузки на 2 Вт каждые 12 с [12]. Весьма значимым моментом является длительность выполнения нагрузки, наиболее подходящее время 8—12 мин [13].
Приведем методику создания рамп-протокола для велоэргометра. Самым сложным при создании таких протоколов представляется определение подходящего значения максимальной нагрузки. К. Wasseгman et а1. [2] предлагают определять ее исходя из значения максимального потребления кислорода (МПК). Методика создания такого протокола представляется следующим образом:
• определение кислородной стоимости вращения педалей без нагрузки по формуле [2]
VO2 без нагрузки 150(6Мт);
(8)
• расчет должного значения МПК, мм/мин, по формуле [2]
МПК = (Р - В)K,
(9)
где Р — рост в сантиметрах; В — возраст в годах; K = 20 для мужчин и K = 14 для женщин;
• расчет прироста нагрузки, Вт, по формуле [2]
W = (МПК - То2 без нагрузки)/100. (10)
Должные значения максимального потребления кислорода следует корректировать в зависимости от степени снижения объема форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1) и проницаемости мембраны легких для монооксида углерода (БЪСО). При со-
Протоколы с нарастающей интенсивностью нагрузки
Протоколы со ступенчато нарастающим уровнем мощности нагрузки Протоколы с равномерно нарастающим уровнем мощности нагрузки (рамп-протоколы) Протоколы с экспоненциальным приростом мощности нагрузки Протоколы с постоянным уровнем мощности нагрузки
Унифицированные протоколы
Индивидуализированные протоколы
Рис. 3 | Виды нагрузочных протоколов
хранении ОФВ1 или DLCO на уровне не ниже 80 % от нормы коррекции не требуется. При снижении ОФВ1 и DLCO до 50 % от нормы следует уменьшить расчетное значение МПК до 70-60 % от нормы. При снижении ОФВ1 и DLCO до 30 % от нормы следует уменьшить расчетное значение МПК до 50-30 % от нормы.
Протоколы для ручного эргометра сходны с таковыми для велоэргометра. Так, С. B. Coper et al. [10] рекомендуют определять максимальную мощность по следующей формуле [10]:
ЖПИк = (0,7МПК - Мт3,5)/18,36,
(11)
где Wпик — пиковая нагрузка, Вт; Мт — масса тела, кг.
Должное значение МПК в этом случае рассчитывается по формуле (9).
Создать рамп-протокол для бегущей дорожки намного сложнее, чем для велоэргометра. Это можно сделать двумя способами.
При первом способе предполагается сохранять на постоянном уровне скорость или угол подъема, равномерно увеличивая другой показатель. Важно, чтобы ступени были достаточно короткими — 20-30 с. Такой подход позволяет создавать протоколы для конкретных групп обследуемых [2, 14]. Эти протоколы позволяют получать прямые показатели работоспособности, что удобно использовать в исследованиях физического развития здоровых людей.
Для больных, страдающих нарушениями походки или перемежающейся хромотой, используют протоколы с комфортной скоростью ходьбы. В таких протоколах прирост мощности создают за счет увеличения угла наклона. На этом принципе основаны протоколы B. Balke [15, 16], USAFSAM [18] и Harbor [17]. По сходному принципу создают ветвящийся протокол. Для его создания вначале при нулевом угле подбирают комфортную скорость шага, затем увеличивают нагрузку за счет угла на 1 мет [19].
Весьма интересен протокол с экспоненциальным приростом уровня мощности нагрузки — STEEP (стандартизованный экспоненциальный нагрузочный протокол), начинающийся с наименьшего воз-
можного уровня нагрузки, с последующим увеличением нагрузки на 15 % от предыдущей ступени [20, 21].
При втором способе создания нагрузочного рамп-протокола используют одновременное увеличение угла и скорости движения. Применяют методику J. Porszasz et al. [22], для реализации которой следует:
• рассчитать пиковую мощность нагрузки Wпик в килопондах (килограмм-метрах в минуту) по формуле N. L. Jones [23]:
W
' ' тт
= 1620Р - 9,5B +
+ 5,6Мт - 249S - 1569,
(12)
где Wпик — пиковая нагрузка, Вт; Р — рост в сантиметрах; В — возраст в годах; Мт — масса тела, кг; 5 = 1 для мужчин, Б = 0 для женщин;
• перевести полученное значение в ватты, для чего разделить его на 6,12 (существует рекомендация увеличения его на 30 %);
• определить желаемый диапазон скоростей (рекомендуется использовать наиболее низкое из возможных значений начальной скорости, максимальную скорость определяют с учетом комфортной скорости движения — от 1,5 до 6,5 км/ч);
• вычислить прирост угла наклона П по формуле [22]:
П = ([(WnHK/MTgV0) - gr0] t + 10g-0)/ /([(Vmax/V0) - 1] t + 10),
(13)
где Wпжк — пиковая нагрузка, Вт; Мт — масса тела, кг; g — ускорение свободного падения; v0 — начальная скорость, км/ч; vmax — максимальная скорость, км/ч; t — желаемое время теста, мин; gr0 — начальный угол, который должен быть больше нуля, так как эта формула выведена из формулы нагрузки ATS;
• разделить полученные результаты на 21 ступень: первая — 3 мин, далее по 30 с каждая.
Описанная методика кажется громоздкой и трудновыполнимой, однако программное обеспечение большинства спироэргометрических систем имеет функции автоматического построения протокола. В этом случае от оператора требуется задать исходные параметры (нагрузку для велоэргометра или угол подъема и скорость движения для бегущей дорожки), количество ступеней и изменение параметров при переходе от одной ступени к другой.
Для того чтобы правильно подобрать нагрузочный протокол для каждой конкретной ситуации, следует уточнить ряд моментов:
• определить характеристики конкретного обследуемого или группы обследуемых, обращая внимание на тренировки в прошлом и настоящем, наличие заболеваний, травм, нарушения походки (для сбора информации удобно использовать опросники);
• выбрать предпочтительный вид эргометра (в целом велоэргометр больше подходит для больных, а бегущая дорожка для здоровых);
• решить, какие показатели наиболее важны (например, при использовании протокола с постоянным уровнем нагрузки затруднительно определение МПК, а при использовании протоколов с нарастающим уровнем нагрузки — определение временной константы скорости нарастания потребления кислорода);
• определить целесообразность использования унифицированного нагрузочного протокола или необходимость создания нового (использование унифицированных протоколов позволяет сравнить получаемые данные с данными других авторов, а использование индивидуализированных протоколов — получить более точные и воспроизводимые результаты и снизить уровень осложнений, но затрудняет исследование прямых показателей работоспособности).
Заключение
Таким образом, при использовании ручных эргометров и велоэргометров физический и физиологический методы расчета мощности нагрузки тесно связаны. У здорового человека увеличение нагрузки на 1 Вт приводит к росту потребления кислорода на 10 мл/мин [10]. Это позволяет использовать физиологические параметры, такие как должное значение максимального потребления кислорода, для расчета наибольшего уровня мощности нагрузки и, следовательно, создания индивидуализированных протоколов. В то же время наиболее распространенные методы расчета мощности нагрузки при использовании бегущих дорожек неточны, так как не учитывают силу трения, вид движения и антропометрические параметры. Теми же отрицательными сторонами обладают и протоколы, созданные на основании формулы ATS. Представляется перспективным описанный метод создания формул расчета мощности нагрузки для конкретных марок дорожек [5], позволяющий связать потребление кислорода с уровнями мощности выполняемой человеком нагрузки.
Вопрос о методиках дозирования нагрузок и выборе нагрузочных протоколов на сегодняшний день является достаточно актуальным. Опубликовано много вариантов унифицированных протоколов и методик создания индивидуализированных протоколов, выработан определенный подход к этой проблеме, позволяющий исследователям сосредоточить свое внимании на создание алгоритмов анализа данных и поиске наиболее информативных показателей.
К сожалению, в нашей стране количество исследований по данному направлению незначительно, что связано с недостаточным вниманием иссле-
дователей к методическим аспектам нагрузочного тестирования. Надеемся, что более широкое распространение спироэргометрических комплексов в медицинской практике приведет к более детальному изучению проблемы дозирования физических нагрузок и созданию оптимальных нагрузочных протоколов.
Литература
1. Silva O. B., Sobral Filh D. C. A New Proposal to Guide Velocity and Inclination in the RampProtocol for the Treadmill Ergometer // Arq. Bras Cardiol. 2003. N 1 (81). P. 48-53.
2. Exercise Testing and interpretation including pathophysiology and clinical application / K. Wasserman, J. Hansen, D. Sue [et al.]. 5-th ed. Philadelphia, Lipincot Wiliams and Wilcins, 2012. 571 р.
3. ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing / M. Weisman, D. Marciniuk, J. Martinez [et al.] // Am. J. Re-spir. Crit. Care. Med. 2003. N 167. P. 211.
4. Бурень Н. В. Адаптационные реакции организма студентов при выполнении теста со ступенчатой нагрузкой на ручном эргометре и велоэргометре // Слобожанський на-уково-спортивний вюник. 2012. N 4 (87). 91 с.
5. Eschenbacher H. Comparison between treadmill exercise and bicycle exercise or «can the exercise on treadmill be indicated in watt»? Hochberg, Viasis Healthcare, 2004. 10 p.
6. Driss T., Vandewalle H. The Measurement of Maximal (Anaerobic) Power Output on a Cycle Ergometer: A Critical Review. BioMed Research, International Volume, 2013. 40 p.
7. Design and testing of an MRI-compatible cycle ergometer for non-invasive cardiac assessments during exercise / S. Gusso, C. Salvador, P. Hofman [et al.] // BioMedical Engineering OnLine, 2012. P. 11-13.
8. Joneso A. M., Doust J. H. A 1% treadmill grade most accurately reflects the energetic cost of outdoor running // J. of Sports Sci. 1996. N 14. P. 321-327.
9. Muscle substrate utilization from alveolar gas exchange in trained cyclist / M. Riley, K. Wasserman, P. C. Fu [et al.] // Eur. J. Appl. Physiol. 1996. N 72. P. 341-348.
10. Cooper C. B., Storer T. W. Exercise testing and enterprita-tion. A practical approach. Edinburgh: Cambrige University Press, 2004. 292 p.
11. Kaminsky L. A., Whaley M. H. Evaluation of a new standardized ramp protocol: the BSU/Bruce Ramp protocol // J. Cardiopulm. Rehabil. 1998. N 18(6). P. 438-444.
12. Cardiopulmonary exercise evaluation: value and influence of the use of a ramp protocol versus triangular protocol / A. Grentzinger, A. Suleiman, C. Selton-Suty [et al.] // Arch. Mal. Coeur. Vaiss. 1994. N 87(11). P. 1395-1400.
13. From the American Heart Association Clinician's Guide to Cardiopulmonary Exercise Testing in Adults / C. Keteyian, J. La-vie, R. Macko [et al.] // Circulation. 2010. N 122. P. 191-225.
14. Optimizing the exercise protocol for cardiopulmonary assessment / M. J. Buchfuhrer, J. E. Hansen, T. E. Robinson [et al.] // J. App. Phys. 1983. N 55 (5). P. 1558-1564.
15. Comparison of the ramp versus standard exercise protocols / N. Buchanan, D. Walsh, M. Kraemer [et al.] // J. Am. Coll. Cardiol. 1991. N 17(6). P. 1334-1342.
16. A comparative analysis of four protocols for maximal treadmill stress testing / M. L. Pollock, R. L. Bohannon, K. H. Cooper [et al.] // Am. Heart. J. 1976. N 92(1). P. 39-46.
17. New practical treadmill protocol for clinical use / R. A. Wolthuis, V. F. Froelicher, J. Jr. Fischer [et al.] // J. Car-diol. 1977. N 39(5). P. 697-700.
18. Edwans C. H. Exercise testing for primary care and sport medicine physicians. St. Petersburg (Florida): Shpringer Science, 2009. 372 p.
19. Schauer J. E., Hanson P. Usefulness of a branching treadmill protocol for evaluation of cardiac functional capacity // Am. J. Cardiol. 1987. N 60(16). P. 1373-1377.
20. The use of an exponential protocol for bicycle and treadmill exercise testing in patients with chronic cardiac failure / M. Riley, D. B. Northridge, E. Henderson [et al.] // Eur. Heart J. 1992. N 13(10). P. 1363-1367.
21. Novel exercise protocol suitable for use on a treadmill or a bicycle ergometer / D. B. Northridge, S. Grant, I. Ford [et al.] // Br. Heart J. 1990. N 64(5). P. 313-316.
22. Porszasz J., Casaburi R., Somfay A. A treadmill ramp protocol using simultaneous changes in speed and grade // Med. Sci. Sport. Exerc. 2003. N 35 (9). P. 1596-1603.
23. Jones N. L. Clinical exercise testing 4-th ed. Philadelphia: W. B. Saunders — Company, 1997. 259 p.
