Сравнительный анализ нагрузочного тестирования на различных видах эргометров Текст научной статьи по специальности «Науки о здоровье»

УДК 616-06

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАГРУЗОЧНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ЭРГОМЕТРОВ

В.И. Павлов, Е.В. Линде, З.Г. Орджоникидзе, В.В. Николаев, В.В. Деев Московский научно-практический центр медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины ДЗМ, Москва, Россия Для связи с авторами: e-mail: mnpcsm@bk.ru

Аннотация:

Проведен сравнительный анализ динамики физиологических показателей при максимальном нагрузочном тестировании группы спортсменов на велоэргометре и бегущей дорожке (тредбан). Показано, что кроме высоких максимальных значений показателей, таких как пиковое потребление кислорода и пиковая частота сердечных сокращений, достигнутых в тредбан-тесте, обнаруживается различный характер их трендов в процессе выполнения теста. Этот факт обусловлен различным характером и амплитудой физиологических изменений при тестировании на различных типах эргометров. Данное явление имеет значение при расчете и интерпретации непрямых показателей работоспособности. Ключевые слова: велоэргометр, тредбан, максимальный нагрузочный тест, пиковое потребление кислорода, пиковая частота сердечных сокращений.

COMPARATIVE ANALYSIS OF LOAD TESTING ON DIFFERENT TYPES OF ERGOMETERS V.I. Pavlov, E.V. Linde, Z.G. Ordzhonikidze, V.V. Nikolaev, V.V. Deev

Moscow Research and Practice Centre of Medical Rehabilitation, Restorative and Sports Medicine, Moscow Abstract:

The comparative analysis of dynamics of physiological indicators is carried out at the maximum exercise testing of group of athletes on bicycle ergometers and a running ergometers (treadban). It is shown that high maximum values of indicators, such as peak consumption of oxygen and peak heart rate reached in the treadban-test. Various types of physiological trends in process test performance is found out also. This fact is caused by various character and amplitude of physiological changes at exercise testing for various types ergometers. The given phenomenon matters at calculation and interpretation of indirect values of working capacity.

Key words: bicycle ergometers, running ergometers, maximal exercise testing, peak consumption of oxygen, peak heart rate.

На современном этапе развития спортивной медицины существует большое количество разнообразных тестов, направленных на определение уровня физической работоспособности спортсмена. Выбор теста зависит от многих факторов, в частности, от цели, которую предполагается достигнуть [1]. В целом же, основные назначения нагрузочного тестирования следующие [2]:

— оценка симптомов (боль в грудной клетке; приступы одышки, сердцебиений; синкопаль-ные состояния), возникающих в процессе физической активности;

— оценка кардиореспираторной выносливости; определение наличия ишемии миокарда (аортальный стеноз, болезнь Кавасаки и др.);

—оценка реакции частоты сердечных сокращений (ЧСС) и ритма (при различных желудочковых эк-

топические ритмах, полной АВ-блокаде и др.); — оценка эффективности реабилитационных мероприятий.

Несмотря на наличие в настоящее время большого количества различных типов эргометров (гребные эргометры, ручные эргометры, гидродинамический бассейн и др.), наиболее широко используются две их разновидности: велоэргометр и бегущая дорожка (синонимы -тредмил, тредбан). Использование каждого метода имеет как свои преимущества, так и недостатки, в зависимости от цели использования. Цель исследования: выявить физиологические закономерности, лежащие в основе достоинств и недостатков различных типов эргометрии, на примере сравнения велоэрго-метрического теста и теста с использованием бегущей дорожки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Контингент — 12 членов элитной женской команды по баскетболу (чемпион России 2009). Средний возраст - 24,7+3,1 года. Первый день исследования - максимальное нагрузочное тестирование на велоэргометре MONARK 839 E (ВЭМ-тест) с использованием ступенчатого протокола нагрузки, монито-рированием ЭКГ, АД и газоанализом. В процессе выполнения ВЭМ-теста использовался следующий протокол. Начальная нагрузка

— 50 Вт, ступень — 25 Вт, продолжительность ступени — 2 мин.

Второй день (через 1 сутки после первого исследования) - повтор максимального теста на тредбане для 11 спортсменок (HP Cosmos Saturn) со ступенчатым протоколом нагрузки, мо-ниторированием ЭКГ, газоанализом (система Oxycon Pro, Jaeger) и определение максимальной концентрации лактата. В тредбан-тесте использовался следующий протокол нагрузки: начальная скорость бега — 7 км/час, уровень подъема дорожки - 0,2; возрастание скорости бега на следующей ступени

- 1,5 км/час, подъема дорожки — на 0,1. Оценка достижения пиковых (максимальных) показателей проводилась по стандартным критериям

[2, 3].

Во всех случаях максимального нагрузочного тестирования перед началом испытаний проводилась калибровка газоанализаторов с использованием газовой смеси со стандартными концентрациями О2 и СО2, а также осуществлялась объемная калибровка волюметра используемого прибора. Осуществление теста прекращалось в связи с утомлением спортсмена по его просьбе.

Одна спортсменка вследствие наличия патологии, выявленной во время проведения вело-эргометрии (нарушение ритма сердца в виде множественных экстрасистол), была исключена из дальнейшего анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Нами были подтверждены особенности, важные в практической работе врача и характерные для велоэргометрического и тредбан-тестов. Наиболее важными из них мы сочли следующие закономерности.

Вемргоштрический (ВЭМ) тест является, в большинстве случаев неспецифическим видом работы;

лимитирующим работу механизмом в тесте в большинстве случаев является локальное мышечное утомление;

для данного типа тестирования характерно, как правило, хорошее качество регистрации ЭКГ-сигнала на всех ступенях нагрузки; имеется возможность мониторирования основных физиологических параметров (артериальное давление и др.). Тредбан-тест

является наиболее специфичным для большинства видов спорта;

позволяет выполнить максимальную работу, лимитирующими факторами которой являются центральные, а не периферические механизмы (локальное мышечное утомление); для данного типа теста характерны помехи в регистрации ЭКГ-сигнала на пике нагрузки; имеются затруднения в мониторировании ряда физиологических параметров (артериальное давление и др.)

Именно в силу вышеназванных особенностей мы предпочли первоначально выполнить ВЭМ-тест (он предпочтителен для выявления патологии, но не позволяет достигнуть максимальных параметров), а затем провести тестирование на бегущей дорожке для выявления истинных резервных возможностей кардиореспираторной системы.

У одной из спортсменок на ЭКГ в покое были выявлены единичные экстрасистолы с широкими комплексами QRS, количество которых вследствие выполнения физической нагрузки увели-

Таблица 1 - Максимальные значения основных физиологических параметров в тесте

Максимальный нагрузочный тест VO2peak, мл/мин/кг VO2peak, мл/мин/кг Max пульс в тесте, 1/мин Max пульс в тесте, 1/мин

ВЭМ Тредбан ВЭМ Тредбан

Показатели (M±o) 40,9±6,4 52,2±5,2*** 171,1±6,3 183,2±5,0***

Примечание: ВЭМ - велоэргометрия; VO2 max - пиковое потребление кислорода в тесте; "*" - p<0,001

чивалось, с переходом в пароксизм тахикардии с широкими комплексами QRS (4 желудочковых комплекса подряд). Данная спортсменка отправлена на консультацию к специалисту в специализированное аритмологическое отделение и к максимальному тредбан-тесту допущена не была. Максимальное (пиковое) потребление кислорода и максимальный (пиковый) пульс (максимальная, или пиковая, частота сердечных сокращений) являются наиболее часто контролируемыми показателями у спортсменов [4,5,6]. Средние значения этих параметров оказались выше при выполнении тредбан-теста: потребления кислорода — на 11,3 мл/мин/кг, а пульса — на 12 уд./мин (табл. 1).

При более подробном анализе показатели максимальной (пиковой) аэробной для каждой спортсменки производительности, выражающиеся в значениях максимального (пикового) потребления кислорода, видно, что у ряда баскетболисток в тредбан-тесте значения этого показателя стремились к 60 мл/мин/кг, а в одном случае это значение было превышено (рис. 1). В то же время в ходе проведения ВЭМ теста значения максимального (пикового) потребления кислорода почти у половины спортсменок не достигали значения 40 мл/мин/кг. Таким образом, подтверждался факт того, что максимальную аэробную производительность у лиц в игровых видах спорта (в частности, у спортсменов-баскетболистов) более целесообразно определять в условиях тредбан-теста [7].

5040-30-20-100-4.

ж

поэтому для подробного анализа мы выбрали графики значений у одной из баскетболисток.

В графиках частоты сердечных сокращений (ЧСС) на велоэргометре и на тредбане прослеживались следующие закономерности (рис. 2):

1) тренд ЧСС в ходе ВЭМ-теста обрывался во время более низких значений потребления кислорода в сравнении с тредбан-тестом;

2) на каждой конкретной ступени нагрузки ВЭМ-теста более высоким цифрам ЧСС соответствовали меньшие значения потребления кислорода в сравнении с тредбан-тестом. Данное явление, вероятно, обусловлено тем, что в ходе выполнения тредбан-теста в работу включено большее количество скелетной мускулатуры. Следовательно, при выполнении теста на бегущей дорожке требуется больший уровень кровоснабжения мышц в целом, что обусловливает включение большего объема циркулирующей крови (ОЦК). Больший ОЦК, в свою очередь, обусловливает более полную реализацию эффекта Старлинга, когда в большей степени идет возрастание инотропности сердечной мышцы (увеличивается, в основном, ударный объем) в сравнении с более высокими значениями хроно-тропности миокарда в ВЭМ-тесте (возрастает, в основном, ЧСС).

ЧСС., уд/мин/

200

мл/мин/кг

Е.Т-ва О.Г-ва В.М-ва А.Т-ва Л.П-ко Е.Б-ва Е.В-ва О.Р-ва А.С-ва Е.К-ко Е.Ч-ва Seriesl Series2

Рис. 1. Значения максимального (пикового) потребления кислорода у спортсменов при выполнении нагрузки на разных типах эргометров.

Примечание: левые столбики - ВЭМ-тест; правые столбики - тредбан-тест

Соотношение трендов зависимостей основных параметров нагрузочного тестирования у всех спортсменок носило схожий характер,

Рис. 2. График зависимости частоты сердечных сокращений (ЧСС) от потребления кислорода (У02) у баскетболистки С., 22 года

Интересным, с нашей точки зрения, является анализ зависимости ЧСС от мощности выполняемой нагрузки (ЭД). Мощность, как известно, представляет собой скорость совершения работы (работа, осуществляемая в единицу времени). Здесь одним из важных аспектов является то, что если при про-

70

60

50

0

10

20

30

40

60

70

ведении ВЭМ-теста мощность является задаваемым параметром, то при выполнении тредбан-теста — расчетным. На бегущих дорожках фирмы Jaeger используется следующая формула расчета мощности:

Watt=(V*BW*(2.11+G*0.25)+2.2*BW— 151)/10.5,

где Watt — расчитываемая мощность; V — скорость движения полотна; BW (body wight) — масса тела; G —угол наклона в %

На графике зависимости ЧСС от мощности нагрузки можно видеть следующее (рис. 3):

1) более раннее отклонение данного тренда от прямолинейной зависимости («искривление») в случае выполнения нагрузки на велоэргометре;

2) соответствие большей мощности нагрузки в ходе выполнения ВЭМ-теста большей ЧСС, которая при высоких мощностях приближается к ЧСС в тредбан-тесте;

3) достижение меньшей максимальной (пиковой) ЧСС и меньшей мощности нагрузки в ходе выполнения ВЭМ-теста.

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

ЧСС., уд/мин/

локального мышечного утомления. Так как в тредбан-тесте в работе принимает участие больший массив мышц, отклонение графика ЧСС от прямолинейной зависимости вследствие подключения анаэробного лактатного энергоисточника наступает позже. Подобный изгиб графика ЧСС получил наименование точки Conconi (по имени итальянского исследователя), после наступления которой спортсмен может выполнять работу лишь непродолжительное время из-за локального либо системного снижения рН, участвующего в генезе утомления.

В практическом плане данный тип трендов имеет значение в непрямом определении работоспособности спортсменов, согласно так называемому тесту PWC (physical working capacity), по которому, чем больше мощность работы, которую спортсмен выполняет, или мог бы выполнить в режиме постоянной работы (steady state) на данном уровне пульса, тем более высокой работоспособностью он обладает. Как правило, используют определение PWC 170, то есть мощности работы на пульсе 170 уд./мин.

При этом условно полагают, что зависимость ЧСС от мощности работы до уровня пульса, равного 170 уд./мин., является прямолинейной (рис. 4).

f, уд./мин

Рис. 3. График зависимости частоты сердечных сокращений (ЧСС) от мощности (Ш) выполняемой работы у баскетболистки С., 22 года

Анализ описанных особенностей еще раз подтверждает тот факт, что вследствие участия меньшего объема мышц и меньшего ОЦК при выполнении ВЭМ теста менее выражен эффект Старлинга, что выражается в выполнении работы указанной мощности при более высоких цифрах ЧСС (следовательно, при меньших значениях ударного объема) [8]. Более раннее искривление тренда ЧСС относительно мощности работы в ВЭМ-тесте говорит о подключении к процессу кислородного энергообеспечения анаэробного лактатного энергоисточника и наступлении

3

'2

1

W W PWC (V)

1 2 170 V J

Рис. 4. Вычисление PWC 170 графическим методом (по Карпману В.Л.)[9]

Соответственно, показатель Р№С 170 может быть вычислен по следующей формуле [9,10]:

Р№С 170 = W1 + (№2 - W1) * 170 - / 1 где

/2 -/1

№ — мощность выполняемой работы, £ — частота сердечных сокращений.

79

50

100

150

200

250 W Вт

170

f

f

Однако, как видно из рисунка 3, график зависимости ЧСС от мощности работы отклоняется от прямолинейной зависимости тем больше, чем большую мощность работы выполняет спортсмен. Более выражен этот феномен при тестировании на велоэргометре, где спортсмен часто не достигает данного уровня ЧСС, хотя, казалось бы, прямой расчет Р^^С (т.е., непосредственное определение мощности по достижении данного уровня пульса) выглядел бы оптимальным способом определения работоспособности. В связи с этим выглядит разумным выявление закономерностей тех погрешностей, к которым может привести непрямое определение работоспособности по двум точкам на кривой — ЧСС» (табл. 2).

Как видно из таблицы 2, чем дальше на графике взяты точки, тем выше оказывается уровень расчетной работоспособности спортсменки. Особенно это выражено при выполнении ВЭМ-теста Расчетные показатели Р^С 170 в тредбан-тесте оказываются более стабильными, вследствие того что прямолинейная зависимость ЧСС от мощности нагрузки сохраняется достаточно долго. Однако она не соблюдается до уровня пульса 170 уд./мин, в связи с чем прямое определение показателя Р^'С 170 на дорожке также оказывается немного выше расчетного. На графике зависимости У02 от мощности нагрузки отображаются следующие закономерности (рис. 5):

1) прямолинейный характер данной зависимости на всех участках тренда при выполнении тредбан-теста и выраженное искривление графика по окончании выполнения ВЭМ-теста;

2) постепенное уменьшение потребления кислорода на единицу мощности в ходе вы-

полнения ВЭМ-теста;

3) меньшие конечные значения У02 и мощности выполненной нагрузки в ВЭМ-тесте.

VO2, мл/мин/кг

Тредмил

0 50 100 150 200 250

W Вт

Рис. 5. График зависимости потребления кислорода (VO2) от мощности (W) выполняемой работы у баскетболистки С., 22 года

Ход полученных трендов свидетельствует о большей роли системы аэробного энергообеспечения при выполнении тредбан-теста, функция которой продолжает равномерно нарастать и роль которой в данном процессе не снижается до самого окончания теста. В то же время удельная доля аэробной системы энергообеспечения по ходу выполнения ВЭМ-теста снижается, о чем говорит меньшее нарастание потребления кислорода на единицу мощности выполненной работы к концу теста. Следовательно, в этот период работа в значительной мере совершается за счет локальных потенций периферической скелетной мускулатуры, поддерживаемой аэробной лактатной системой энергообеспечения. Так как при ВЭМ-тесте анаэробный лактат-ный источник подключается раньше, то и процессы, ведущие к локальному мышечному утомлению, прогрессируют быстрее. Этим и обусловлены меньшие значения максимальных физиологических параметров при данном типе эргометрии.

70

50

50

40

30

20

10

Таблица 2 - Пример непрямого определения PWC170 (без пересчета на единицу массы тела) по двум точкам на графике зависимости частоты сердечных сокращений от мощности выполняемой нагрузки (баскетболистка С., 22 года).

Положение точек графика ВЭМ-тест Тредбан-тест

f1 - f2 уд./мин W1 - W2, уд./мин PWC170, Вт f1 - f2 уд./мин W1 - W2, уд./мин PWC170, Вт

Начало 118-148 75 - 125 162 90 - 130 90 - 130 170

Середина 148-158 125-150 180 130 - 160 130 - 160 170

Конец 158-162 150-175 225 Прямое определение - 195 Вт

Примечание: W - мощность выполняемой работы, Г - частота сердечных сокращений, PWC 170 - мощность работы на пульсе 170 уд./мин (расчетный, либо прямой способ определения)

Практическое значение анализа зависимости потребления кислорода от мощности нагрузки на данной ступени имеет несколько аспектов. Один из них — определение расчетного значения максимального потребления кислорода в непрямом тесте. Так, считается, что уровень максимального потребления кислорода можно расчитать с минимальной ошибкой, используя метод прямой линейной регрессии. При этом предполагается, что механическая мощность выполняемой работы имеет сильную прямую корреляцию с потреблением кислорода, что часто позволяет в клинической медицине именовать показатель максимального потребления кислорода «максимальной аэробной мощностью». Для определения максимального потребления кислорода по результатам теста PWC 170 наиболее часто используется формула, предложенная Карпманом В.Л. [11, 12]:

VO2max = 1,7 * PWC170 + 1240, где

VO2max — максимальное потребление кислорода; PWC170 — показатель расчетной (или прямой) мощности нагрузки в тесте c определением PWC170.

Тем не менее, как видно из рисунка 5, данный способ расчета будет давать меньшую ошибку при выполнении тредбан-теста, так как в этом случае график зависимости более четко сохраняет прямолинейный характер. Напротив, при выполнении ВЭМ-теста подобный способ определения максимального

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Astrand, P.O. Text Book of Work Physiology : Physiological basis of exercise / P.O. Astrand, K. Rodahl. - New York : McGraw Hill. - 1986.

2. Wasserman, K. Exercise testing and interpretation / К. Wasserman, J.E. Hansen, D.Y. Sue et al. - Lippincott Williams&Wilkins. - 2005. - 586 p.

3. Орджоникидзе, З.Г. Состояние функциональной подготовленности спортсменов из состава ведущих футбольных команд России / З.Г. Орджоникидзе, В.И. Павлов, Н.И. Волков, А.Е. Дружинин // Физиология человека. - 2007. - 33 (4). - С. 114-118.

4. Volkov, N.I. Bioenergetics of sports activities / N.I. Vol-kov. - Moscow, 2010. - P. 141.

5. Волков, Н.И. Физиология человека / Н.И. Волков, О.И. Попов, И.А. Савельев, А.Г Самборский.- 2003.- Т.

потребления кислорода будет давать более весомую погрешность.

ВЫВОДЫ

• Если применение нагрузочного тестирования на велоэргометре более приемлемо в клинической медицине (возможность адекватного мониторирования большинства физиологических параметров при меньшей нагрузке на сердечно-сосудистую систему), то тредбан-тест обеспечивает достижение показателей, более приближенных к максимальным, в сравнении с ВЭМ-тестом, что делает его более пригодным для определения физической работоспособности у здоровых лиц.

• В тредбан-тесте обеспечивается достижение большего уровня потребления кислорода (VO2) при меньших цифрах ЧСС, что говорит о большем вкладе в физиологический механизм выполнения нагрузки эффекта Старлинга.

• Для тредбан-теста характерна более тесная взаимосвязь между потреблением кислорода и мощностью выполняемой нагрузки, имеющая, большей частью, прямолинейную зависимость в отличие от велоэргометрического теста, где данную закономерность нарушают процессы локального мышечного утомления.

• Значения PWC170, полученные прямым путем, как правило, всегда выше полученных расчетным способом, причем в большей степени это выражено при выполнении ВЭМ-теста, где тренд «ЧСС-мощность» более рано и резко отклоняется от прямолинейной зависимости.

29. № 2. - С. 91-97.

6. Руненко, С.Д. Исследование и оценка функционального состояния спортсмена / С.Д. Руненко, ЕА Талам-бум, Е.Е.Ачкасов. - М., 2010. - 72 с.

7. Пападопулос, К. Использование эргоспирометрии в профессиональном футболе / К. Пападопулос // Актуальные вопросы спортивной медицины : сборник. под ред. И.Б.Медведева. - М.- 2010.- С. 78-85.

8. Белоцерковский, З.Б. Динамика внутренней поверхности полости левого желудочка сердца у спортсменов / З.Б. Белоцерковский // Клинико-физиологические характеристики сердечно-сосудистой системы у спортсменов : сборник посвящ. двадцатипятилетию каф. спорт. медицины им. проф. В.Л. Карпмана. - М. : РГАФК. - 1994. - С. 154-161.

9. Карпман, В.Л. Тестирование в спортивной медицине

/ В.Л. Карпман, З.Б. Белоцерковский, И А Гудков. - М.: ФиС, 1988. - 208 с.

10. Белоцерковский, З.Б. Эргометрические и кардиологические критерии физической работоспособности спортсменов / З.Б. Белоцерковский. - М.: Советский спорт, 2005. - 312 с.

11. Карпман, В.Л. Непрямое определение максимально-

го потребления кислорода у спортсменов высокой квалификации / В.Л. Карпман, ИА. Гудков, Г.А. Кой -динова // Теория и практика физической культуры. - 1972. - № 1. - С. 37-41 12. Макарова, Г.А. Практическое руководство для спортивных врачей / ГА. Макарова. - Ростов-на-Дону : БАРО-ПРЕСС, 2002. - 800 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Павлов Владимир Иванович - доктор медицинских наук, заведующий отделением функциональной диагностики и врачебного контроля Московского научно-практического центра медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины

Линде Елена Викторовна - кандидат медицинских наук, заведующая лабораторией функциональной диагностики спортсменов Московского научно-практический центра медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины ДЗМ

Орджоникидзе Зураб Гивиевич - доктор медицинских наук, профессор, главный специалист департамента здравоохранения города Москвы.

Николаев Виталий Витальевич - врач отделения функциональной диагностики и врачебного контроля за функциональным состоянием спортсменов Московского научно-практического центра медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины.

Деев Вадим Владимирович - врач Московского научно-практического центра медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины.