CC BY
43
© Радченко А.С., 2003 УДК 612.766.1
ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ АДАПТИВНЫХ РЕАКЦИЙ ОРГАНИЗМА СПОРТСМЕНА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ МЫШЕЧНОЙ АЭРОБНОЙ РАБОТЕ
А.С. Радченко
Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия
Посредством автоспектрального, фазового и когерентного анализа изучается вариабельность последовательных внутренних интервалов ЭКГ (PQ, ЯТ, ТР, РР), зарегистрированных перед тестированием. В результате сопоставления ритмических паттернов названных интервалов с эффективностью адаптивных реакций были получены признаки, соответствующие каждому из типов адаптивных реакций. Названные ритмические паттерны можно использовать для надежного прогноза эффективности адаптации к напряженной циклической мышечной работе.
Решение проблемы управления функциональным состоянием (ФС) в тренировочном процессе многих видов спорта исключительно важно. Разработка способов оценки ФС без предъявления тестирующей нагрузки позволяет перейти на более высокий, технологический уровень профессиональной подготовки в спорте. Если необходимым критерием оценки ФС является эффективность конкретного рода деятельности [9], то для создания точного инструмента прогноза ФС необходимо обязательное сопоставление результатов оценки эффективности адаптивной реакции (АР) при упражнении с данными, полученными непосредственно перед упражнением, чтобы в дальнейшем использовать предрабочие характеристики в экспресс-прогнозе ФС.
Имеется способ оценки ФС сердечно-сосудистой системы и сопряженных с ней систем транспорта и утилизации кислорода в работающих тканях [1, 2], который позволяет охарактеризовать эффективность течения АР, определить диапазон функциональных резервов организма на основе традиционных для физиологии трудовой деятельности положений [3, 6, 9].
В настоящее время растет интерес к внутренней самоорганизации деятельности сердца под контролем интракар-диальной нервной системы [13, 15, 16], сопровождающийся изучением внутренней структуры последовательных электрокардиосигналов (ЭКС) [9, 14, 15, 18]. Целью настоящей работы было нахождение признаков в ритмической организации внутренней структуры последовательных ЭКС, посредством которых можно однозначно прогнозировать эффективность предстоящей адаптивной реакции.
Материалы и методы
Группа бегунов на средние, длинные дистанции и марафонцев высокого класса (действующие мастера спорта и мастера спорта международного класса, всего 12 чел.) многократно, 3-4 раза с интервалом несколько недель, тестировалась с целью определения типа АР при беге на тредмилле со ступенчато увеличивающейся скоростью. Средние данные испытуемых (М ± т): масса -65,4±1,75 (кг); рост - 175,8±1,5 (см); возраст - 24,7±0,74 (лет); скорость бега при АнП - 5,22±0,12 (м/с). В процессе упражнения непрерывно регистрирова-
лись и вычислялись традиционные кар-диореспираторные показатели: ЧСС
(уд/мин), легочная вентиляция (УЕ -л/мин), потребление кислорода (У02 -мл/кг мин), кислородный пульс (02-П -мл/кг уд), выделение двуокиси углерода (УС02 - мл/кг мин), вентиляционный эквивалент по кислороду (УЕ/У02) и др. Вентиляционный анаэробный порог (АнП) определялся по характерному скачку в динамике УЕ, УЕ/У02, а также УЕ относительно ЧСС по мере роста нагрузки [8, 10]. Тип АР определялся по изменению темпа нарастания ЧСС и У02 - коэффициента регрессии ^у) -после АнП относительно его значений до АнП. Критерии оценки типов АР схематически представлены на рис. 1. Подробно методика излагается в предыдущих работах [1, 2, 11].
Для АР А характерно увеличение tgу(У02), уменьшение tgу(ЧСС), увели-
чение tgу(02-П) после АнП (рис. 1), наиболее эффективные энерготраты при субмаксимальной интенсивности (на ЧСС 170 уд/мин), поэтому при достижении У02тах скорость бега наибольшая, организм спортсмена способен достигнуть наибольших физиологических сдвигов. Для АР типа С характерно обратное. Наблюдается уменьшение tgу(V02) и увеличение tgу(ЧСС) после АнП, эффективность упражнения при субмаксимальной интенсивности наименьшая, У02тах достигается практически сразу после АнП, скорость бега при У02тах и собственно его величина наименьшие относительно других типов АР у одного и того же человека. Адаптивные реакции В и АС по эффективности занимают промежуточное положение между А и В типами АР.
А В С АС
Рис. 1. Характеристики типов адаптивных реакций на возрастающую физическую нагрузку. А, В, С, АС - типы адаптивных реакций, характеристики темпа изменения некоторых физиологических показателей до и после анаэробного порога (АнП) при соответствующем типе адаптивной реакции [1].
Перед тестированием регистрировалась ЭКГ в 1-111 стандартном отведении с высокой скоростью (100 мм/с) в положении лежа и непрерывно в течение 5-6 минут в условиях ортостаза после перехода тела в вертикальное положение стандартным электрокардиографом ЭКЗЧ-01, модель 033, производства
«Красногвардеец». Интервал PQ измерялся согласно общепринятым стандартам. Интервал ЯТ измерялся по вершинам зубцов, основываясь на положениях, которые изложены в ряде работ [4,
10, 12, 14, 15]. Интервал ТР в наших измерениях по времени содержит в себе фазу редуцированного изгнания, иду-
щую одновременного с диастолой предсердий, а также диастолу желудочков. В этот временной интервал реализуется присасывающее действие желудочков, которое распространяется на предсердие и вены [4].
Для анализа колебаний изучаемых интервалов ЭКГ в расчет брались записи длительностью 2-3 мин в условиях ортостаза после окончания переходного процесса с тем расчетом, чтобы при вычислении спектральной плотности мощности повысить достоверность различения частотных составляющих, относящихся к низкочастотному (НЧ) диапазону (0,04-0,15 Гц). Флюктуации изучаемых элементов ЭКГ, сопоставление их между собой проводилось посредством спектрального, фазового и когерентного анализа после проверки выборок на стационарность. Соответствующий математический аппарат и особенности его применения для анализа сердечного ритма хорошо разработаны и подробно излагаются во многих публикациях [7, 13, 16, 17, 20, 23, 24]. Заметим, что в нашем исследовании спектральная плотность мощности выражается в относительных (к спектральной плотности наиболее медленной частотной составляющей спектрального окна) единицах.
Результаты и их обсуждение
Результаты автоспектрального, фазового и когерентного анализа колебаний интервалов PQ, ЯТ, ТР и РР рассматривались в одной из предыдущих публикаций [2]. Было показано, что спектральная плотность мощности (5) колебаний длительности интервала ТР в НЧ диапазоне достоверно больше 5 колебаний интервала РР и это прямо связано с эффективностью АР. Кроме того, наблюдается фазовое опережение колебаний интервала ЯТ (и PQ) относительно ТР, а PQ перед ЯТ при более эффективных (А, В, АС) типах АР. На рис. 2 представлены фазовые отношения в НЧ
диапазоне (средние данные) колебаний PQ и ЯТ, а также ЯТ и ТР которые характерны для различных типов АР. Таким образом, увеличению темпа нарастания У02 после АнП соответствует опережение по фазе колебаний интервалов PQ относительно колебаний интервалов ТР в НЧ диапазоне, а замедлению нарастания ЧСС соответствует опережение колебаний PQ относительно колебаний ЯТ.
В настоящей работе обратим внимание на фазовые отношения в паре колебаний интервалов ТР-РР и PQ-TP в НЧ диапазоне. На рис. 3 представлены некоторые индивидуальные данные взаимоотношений колебаний ТР и РР. Наблюдается фазовое опережение колебаний интервала РР относительно колебаний ТР в НЧ диапазоне при А и В типах АР, т. е. в тех случаях, когда происходит увеличение темпа нарастания У02 после превышения АнП. При АР типа АС (рис. 4) наблюдается обратная закономерность - отчетливое фазовое опережение в пользу колебаний интервала ТР в НЧ диапазоне. При АР типа С фазовые отношения неустойчивы, опережение одного из колебаний в рассматриваемой паре колебательных процессов однозначно определить трудно, потому что спектральная плотность мощности в изучаемом диапазоне выражена очень слабо.
На рис. 5 и 6 представлены некоторые индивидуальные данные пар колебаний интервалов PQ-TP. Как видно на рис. 5 увеличению темпа нарастания У02 после АнП при тестировании соответствует фазовое опережение колебаний интервала PQ перед колебаниями интервала ТР в НЧ диапазоне (А и В типы АР).
Замедлению темпа прироста ЧСС после АнП, что является признаком эффективного течения адаптивной реакции (АР типа АС), также, как следует из рис. 6, соответствует фазовое опережение колебаний интервалов PQ перед ЯТ в НЧ диапазоне.
Рис. 2. Средние данные фазовых отношений в паре колебаний интервалов PQ-ЯТ и ЯТ-ТР и при различных типах адаптивных реакций. А, В, С, АС - типы адаптивных реакций. По оси абсцисс - спектр колебаний НЧ диапазона (обозначено стрелками). По оси ординат - фазовый угол (ф°).
Здесь же, при самом неэффективном течении АР - увеличении темпа нарастания ЧСС и замедлении темпа нарастания У02 после АнП - обнаруживаем неопределенность фазовых отношений в НЧ диапазоне.
Для оценки ритмических взаимоотношений в рассматриваемых парах колебательных процессов можно использовать подход, который применяется при анализе физиологических систем
[5]. Метод изучения неизвестной системы заключается в установлении причинно-следственных отношений между сигналом-стимулом и сигналом-
реакцией в системе и предусматривает ее, как функциональную, так и структурную идентификацию. В нашем исследовании задача изучения состояния регуляции сердца значительно упрощается, поскольку можно принять, что структура в данном случае известна.
Сигналом-стимулом будем считать
флюктуации возникновения возбуждения водителя ритма в ограниченном спектральном окне. Поскольку модуляции НЧ диапазона отражают колебания систолического и диастолического давления крови, которые определяются активностью адренергического канала вазомоторной регуляции и активностью мышечных симпатических нервов [14,
19, 21, 22], то фазовое опережение (отставание) на частотных составляющих функционально значимого НЧ диапазона позволяет предполагать, что в этом показателе содержится информация о внутренних перестроениях кардиоцикла, которые связаны с изменениями венозного возврата при различных функциональных состояниях.
На рис. 7 дается схема, в которой обобщаются принципы ритмического взаимодействия колебаний рассматриваемых интервалов, показанные на рис. 3-6. Взаимосвязь когерентности (Сок) и фазы (ср°) между колебаниями интервалов ТР и РР в низкочастотном (НЧ) диапазоне наблюдается при всех типах АР. Если в автоспектрах, в особенности в автоспектрах колебаний ТР, имеется увеличенная спектральная плотность мощности в НЧ диапазоне (л^НЧ), то стремление колебаний к синфазности (р°——0) в этом диапазоне сопровождается некоторым снижением (^) когерентности. Фазовое опережение в пользу колебаний РР (р°—РР) или ТР (р°—ТР) при повышенной спектральной плотности в рассматриваемом диапазоне, сопровождается увеличением когерентности на конкретной ЧС. При отсутствии повышенной спектральной
плотности в НЧ диапазоне в автоспектрах (у^нч) наблюдается обратная закономерность. Особо обратим внимание на то, что когерентность при АР типа А и АС очень высока в НЧ диапазоне, особенно, если здесь обнаруживаются пики в автоспектрах. Но при А типах АР, как было сказано, наблюдается фазовое опережение в этом диапазоне в пользу колебаний РР, а при АС типах АР - в пользу колебаний ТР.
Следует подчеркнуть, что представленные закономерности обнаруживаются во всех индивидуальных данных результатов исследования.
Ритмическое взаимодействие между колебаниями интервалов PQ(RT) и ТР, представленное в обобщенном виде на рис. 7 по тому же принципу, что и взаимодействие интервалов ТР и РР, характерно только для эффективных -А, В, АС - адаптивных реакций. При АР типа С (рис. 3) наблюдается фазовое расхождение колебаний интервалов PQ(RT) и ТР в НЧ диапазоне. При малой спектральной плотности одновременно происходит значительное фазовое рассогласование и снижение когерентности.
Таким образом, при дифференцировании данных ритмических отношений между колебаниями PQ(RT) и ТР в соответствии с типами адаптивных реакций обнаруживается отчетливая картина, которая характеризует перестроения во внутренней самоорганизации деятельности сердца и предопределяет эффективность его адаптации - адаптивные реакции А, В, АС.
Рис. 3. Результаты автоспектрального, фазового и когерентного анализа колебаний длительности интервалов ТР и РР, соответствующие А и В типам адаптивных реакций. 1-6 - данные разных испытуемых. Верхняя часть каждого примера -
фазовый спектр (о—о). Нижняя часть: спектр когерентности (х---------х), автоспектр
колебаний ТР (Ф—Ф), автоспектр колебаний РР (о--------о). По оси абсцисс - частота
колебаний (Н). По оси ординат: в верхней части - фазовый угол, в нижней - когерентность в относительных единицах.
Рис. 4. Результаты автоспектрального, фазового и когерентного анализа колебаний длительности интервалов ТР и РР, соответствующие С и АС типам адаптивных реакций. 7-12 - данные разных испытуемых. Обозначения те же, что и на рис. 3.
Рис. 5. Результаты спектрального, фазового и когерентного анализа колебаний длительности интервалов PQ и ТР, соответствующие А и В типам адаптивных реакций. 1-4 - данные разных испытуемых. Обозначения те же, что и на рис. 3.
Рис. 6. Результаты спектрального, фазового и когерентного анализа колебаний длительности интервалов PQ и ТР, соответствующие С и АС типам адаптивных реакций. 5-8 - данные разных испытуемых. Обозначения те же, что и на рис. 3.
TP-PP PQ(RT)-TP (при А, В, АС)
фО ^0 ^TP ^pp ^0 ^PQ(RT) ^TP
Coh Л^НЧ і Т Т і і Т
V<Sh4 Т і і і і Т
Рис. 7. Схема «поведения» когерентности и фазовых отношений в низкочастотном (НЧ) диапазоне в паре колебаний интервалов ТР-РР при всех типах адаптивных реакций и PQ(RT)-TP при эффективных - А, В, АС - типах адаптивных реакций.
Выводы
1. Причинно-следственные функционально значимые отношения в «поведении» вариабельности распространения возбуждения по предсердиям и желудочкам сердца можно описать фазовым сдвигом и когерентностью в низкочастотном диапазоне колебаний с учетом спектральной плотности мощности рассматриваемых пар колебательных процессов.
2. Полученные в предрабочем состоянии паттерны ритмических отношений колебаний длительности изучаемых внутренних интервалов ЭКГ, сопоставленные с типами последующих адаптивных реакций, можно применять для надежного прогноза функционального состояния сердечно-сосудистой системы и сопряженных с ней систем транспорта и утилизации кислорода в работающих тканях при адаптации организма спортсменов к максимальным физическим нагрузкам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адаптивные реакции у спортсменов при мышечной работе аэробного характера / А.С. Радченко, В.Е. Борилкевич, А.И. Зорин, А.В. Миролюбов // Физиология человека. - 2001. - Т.27, №2. - С. 122130.
2. Внутренняя ритмика электрокардиосигнала и эффективность адаптации к циклической мышечной работе / А. С. Радченко, В.Е. Борилкевич, А.И. Зорин и
др. // Физиология человека. - 2002. -Т.28, №1. - С. 87-97.
3. Загрядский В.П. Физиологические резервы / В.П. Загрядский // Физиология трудовой деятельности. - СПб., 1993. -
С. 391-401.
4. Константинов Б.А. Оценка производительности и анализ поцикловой работы сердца в клинической практике / Б.А. Константинов, В.А. Сандриков, В.Ф. Яковлев. - Л.: Наука, 1986. - 140 с.
5. Мармарелис П. Анализ физиологических систем. Метод белого шума / П. Мармарелис, В. Мармарелис. - М.: Мир, 1981. - 480 с.
6. Медведев В. И. Функциональные состояния человека / В.И. Медведев, А.Б. Леонова // Физиология трудовой деятельности. - СПб., 1993. - С. 25-61.
7. Нидеккер И.Г. Проблема математического анализа сердечного ритма / И.Г. Нидеккер, Б.М. Федоров // Физиология человека. - 1993. - Т.19, №3. - С. 80-87.
8. Основы беговой подготовки в спортивном ориентировании / В. Е. Борилкевич, А.И. Зорин, Б.А. Михайлов, А.А. Ши-ринян. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 1994. -96 с.
9. Радченко А.С. Оценка эффективности адаптивной реакции при циклической мышечной работе / А.С. Радченко, В.Е. Борилкевич, А. И. Зорин // Теория и практика физической культуры. - 1997.
- №2. - С. 2-8.
10. Фатенков В. Н. О механизме диастолы сердца / В.Н. Фатенков // Физиол. журн. СССР им. Сеченова. - 1983. - Т.69, №5.
- С. 666-671.
11. Физиологические механизмы и методы определения аэробного и анаэробного порогов / В.Н. Селуянов, Е.Б. Мякин-
ченко, Д.Б. Холодняк, С.М. Обухов // Теория и практика физической культуры. - 1991. - №10. - С. 10-18.
12. Янушкевичус З.И. Дополнительно усиленная электрокардиограмма / З.И. Янушкевичус, Л.В. Чирейкин, А. А. Пранявичус. - Л.: Медицина, 1990. -192 с.
13. Application of chaos theory to a model
biological system: evidence of self-
organization in the intrinsic cardiac nervous system / J.E. Skinner, S.G. Wolf, J.Y. Kresh et al. // Integrative Physiological and Behavioral Science. -1996. - V.31, N2. - P. 122-146.
14. Are serial Holter QT, late potential, and wave let measurement clinically useful? / P. Rubel, S. Hamidi, H. Behlouli et al. // J. Electrocardiol. - 1996. - V.29, Suppl.3. -P. 52-61.
15. Beat-to-beat measurement and analysis of the R-T interval in 24 h ECG Holter recordings / G. Speranza, G. Nollo, F. Ravelli, R. Antolini // Med. Biol. Eng. Comput. - 1993. - V.31, N5. - Р. 487-494.
16. Cardiovascular neural regulation explored in the frequency domain / A. Malliani, M. Pagani, F. Lombardi, S. Cerutti // Circulation. - 1991. - V.84. - P. 14821492.
17. ^oley J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series / J.W. ^oley, J.S. Tukey // Math. of Comput. - 1965. - V.19. - P. 297-301.
18. Macor F. Power spectral analysis of RR interval and blood pressure short-term
variability at rest and during dynamic exercise: comparison between cyclists and controls / F. Macor, R. Fagard, A. Amery // Int. J. of Sports Med. - 1996. - V.17, N3. - P. 175-181.
19. Malik M. Heart rate variability. Standarts of measurements, physiological interpretation, and clinical use / M. Malik // European Heart J. - 1996. - V.17. - P. 354-381.
20. Power spectrum analysis of heart rate fluctuation: a quantitative probe of beat to beat cardiovascular control / S. Akselrod,
D. Gordon, F.A. Ubel et al. // Science. -1981. - V.213. - P. 220-222.
21. Power spectral analysis of heart rate and arterial pressure variabilities as a marker of simpatho-vagal interaction in man and conscious dog / M. Pagani, F. Lombardi,
S. Guzetti et al. // Circ. Res. - 1986. -V.59, N2. - P. 178-192.
22. Spectral analysis of heart rate, arterial pressure, and muscle sympathetic nerve activity in normal humans / A. Nakata, S. Takata, T. Yuasa et al. // Am. J. of Physiol.
- 1998. - V.274, N4(Pt2). - P. H1211-1217.
23. Takei Y. Relationship between power spectral densities of P-P and R-R intervals / Y. Takei // Ann. Physiol. Anthropol. -1992. - V.11, N3. - P. 325-332.
24. Variability of R-R, P wave-to-R wave, and R wave-to-T wave intervals / J. Forester, H. Bo, J.W. Sleigh, J.D. Henderson // Am. J. of Physiol. - 1997. - V.273, N6(Pt2). -P. H2857-2860.
THE EFFECTIVENESS OF THE ATHLETE BODY ADAPTIVE REACTIONS FORECAST AT CYCLIC MUSCULAR AEROBIC WORK
A.S. Radchenko
The variability of consecutive intrinsic ECG intervals (PQ, RT, TP, PP) registered before testing exercise by means of autospectral, phase and coherence analyze were studied in the work. In the result of comparison of rhythmic patterns with effectiveness of adaptive reactions the adequate symptoms to every kind of adaptive reactions were received. The named rhythmic patterns can be use for the reliable prognostic estimation of forthcoming adaptive reactions at strenuous cyclic muscular work.
