CC BY
47
А.Л. Похачевский
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕГЕТАТИВНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ПОДРОСТКОВ
Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Вологодский институт права и экономики Федеральной службы исполнения наказаний», научно-исследовательская лаборатория диагностических и оздоровительных технологий, г. Вологда, РФ
Спектральный анализ вариабельности ритма сердца (ВРС) в покое и математическое моделирование кардиоритмограммы нагрузочного тестирования использованы для количественной оценки функционального состояния организма подростков. В результате исследования трех групп (по 35 человек) практически здоровых подростков 16—17 лет, не различающихся по индексу Кетле, — спортсменов циклических видов спорта (1-я группа), школьников и студентов (2-я группа), несовершеннолетних осужденных (3-я группа) выявлены существенные групповые адаптационные характеристики от ваготонии (1-я группа) до парасимпатической депрессии в покое (3-я группа) далее к избыточной активации сим-патики в ортостазе (2-я и 3-я группы) с дальнейшим падением парасимпатической реактивности (3-я группа), проявляющиеся прогредиентным снижением (в ряду 1-я и 3-я группы) толерантности к физи-
Контактная информация:
Похачевский Андрей Леонидович - к.м.н., доц., ВИПЭ ФСИН РФ Адрес: 160002 г. Вологда, ул. Щетинина, 2 Тел.: (8172) 53-06-01, E-mail: sport_med@list.ru Статья поступила 11.01.09, принята к печати 20.01.10.
ческой нагрузке, определяющие поэтапную деградацию адаптационных резервов. Отработаны наилучшие стационарные, динамические и разграничивающие функциональные критерии. Сделаны выводы о возможности их использования для диагностики адаптационного потенциала и значений общей выносливости для его формирования. Даны рекомендации по расширению адаптационных резервов.
Ключевые слова: адапционныерезервы, физическаяработоспособность, нейрогуморальнаярегуляция, объективные критерии здоровья, общая выносливость, подростки.
Frequency analysis of cardiac rhythm variability (CRV) in rest and mathematical modeling of physical exercise test cardiorhythmogram were used for quantitative estimation of health state in adolescents. 3 groups of healthy adolescents aged 16—17 years with practically similar Ketle's index ( 35 persons in every group) were examined: sportsmen practiced cyclic kinds of sport (1st group), non-athletic schoolchildren and students (2nd group) and prisoners under age (3rd group). Examination showed significant group characteristics of adaptation from vagotonia (1st group) to parasympathetic depression in rest (3rd group) and with further excess activation of sympathetic system in orthostasis (2nd and 3rd group) with subsequent depression of parasympathetic reactivity (3rd group), presented as progressive decreasing (from 1st to 3rd group) of physical exercise tolerance, determined step by step degradation of adaptive reserves. Authors outworked optimal stationary, dynamic and borderline functional criteria, proved possibility of their usage for diagnosis of adaptive capacity, estimated role of general tolerance in its forming and gave recommendations for increasing of adaptive reserves.
Key words: adaptive reserves, physical exercise tolerance, neurohumoral regulation, health state objective criteria, general fatigue resistance, adolescents.
Одной из глобальных концепций целевой программы «Дети России» является сохранение, восстановление и укрепление здоровья детей на основе комплексного решения медицинских, педагогических, социальных проблем материнства и детства. Приоритетной медицинской проблемой определена разработка, совершенствование и внедрение технологий профилактики заболеваемости, сохранения и ук реп ле ния здо ровья де тей в об ра зо ва тель ных учреждениях путем осуществления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении [1].
Таким образом, первостепенной задачей являет ся соз да ние ме то дов ди аг нос ти ки и мо ни то рин га здоровья детей, доступных не только для поликли-ни чес ко го зве на, а, глав ным об ра зом, об ще об ра зова тель ных и уч реж де ний до пол ни тель но го об ра зо-вания. Отсюда потребность в строго научном опре-де ле нии и оцен ке уров ня здо ровья, ди аг нос ти ке его из ме не ний с целью ин ди ви ду аль но го вы бо ра адекватных мер коррекции и реабилитации [2].
Психоэмоциональный стресс - одна из важнейших при чин, при во дя щих к раз ви тию так на зы ва е-мых бо лез ней ре гу ля ции. Раз ви тие со ма ти чес кой (висцеральной) патологии при психоэмоциональном стрессе реализуется через лимбико-ретикуляр-ный комплекс - вегетативную и эндокринную систему. Не случайно, А.М. Вейн [3] предложил двух-ч лен ную фор му лу (кор ти каль ные на ру ше ния -вис це раль ная па то ло гия) до пол нить вве де ни ем третьего звена (вегетативная и эндокринная система), что позволяет объяснить механизмы, через которые опосредуется психическое воздействие на со ма ти чес кие сис те мы, и да ет ключ для на уч но го подхода к изучению психосоматических взаимоотношений. На важную роль системы нейрогумораль-
ной регуляции в развитии патологического процесса впервые указал в своих работах Ф. Александер, предложивший в 1950 г. теорию, в которой дифференцированные психопатологическиегипотезысвя-зывались с физиологическими и патологическими соматическими процессами. Позже, в медико-теоретических исследованиях У. Кеннона, Г. Селье и др. уче ных, по ня тие о го ме ос та зе, стресс-ре ак ции, адаптации и здоровье человека в значительной степени переплелись, и в результате сформировалось представление о функции адаптации (уровне адаптированности) как об основной функции человеческого организма, наиболее полно отражающей сос то я ние здо ровья.
Психоэмоциональное напряжение и возбуждение высших вегетативных центров является пусковым звеном патогенетической цепи, в которой активация системы нейрогуморальной регуляции приводит к увеличению уровня катехоламинов в крови, активации реакции перекисного окисления липидов, лабилизации лизосом, высвобождению протеолитических ферментов и в результате -к структурным изменениям в органах и тканях [4].
Таким образом, количественная оценка системы нейрогуморальной регуляции тождественна понятию оценки текущего функционального состоя ния (ФС) и адап та ци он ных ре зер вов ор га низ ма.
В настоящее время наиболее признанной мето-до ло ги чес кой ос но вой изу че ния и ко ли че ст венной оцен ки сис те мы ней ро гу мо раль ной ре гу ля ции является математический анализ вариабельности ритма сердца (ВРС) [5, 6]. Волновые колебания длительности интервалов между кардиоциклами, обусловленные нейрогуморальными влияниями, адек ват но от ра жа ют об щее ФС ор га низ ма.
Изучение динамики приспособительных реак-
ций организма адекватно вписывается в представленную концепцию, расширяя и дополняя ее возможности, а также преодолевая недостатки методики, связанные с необходимостью проведения исследований в состоянии покоя. Поэтому, одним из прогрессивных подходов при изучении ФС организма является моделирование дозирован-но го стрес са пос ре д ством наг ру зоч но го тес ти ро ва-ния с регистрацией и анализом ответных адаптационных реакций [7, 8].
Целью нашей работы явилось определение количественных критериев общего ФС, адаптационного потенциала и резервных возможностей организма подростков с использованием методов анализа ВРС в клино- и ортостазе, математического моделирования кардиоритмограммы нагрузки и восстановления во время максимального велоэр-го мет ри чес ко го тес ти ро ва ния.
Материалы и методы исследования
Нами совместно с Б.А. Садельниковым и А.А. Груздевым обследовано 3 группы (115 человек) практически здоровых подростков, каждый из которых подвергнут клино-ортостатическому и максимальному велоэргометрическому тестированию.
1-я группа - спортсмены циклических видов спорта (лыжные гонки, легкая атлетика, плавание), тренирующиеся на выносливость, различной квалификации (1-й спортивный разряд - 23 человека, кандидаты в мастера спорта - 8 человек, мастера спорта - 4 человека), проходящие нагру-зоч ный сбор.
2-я группа - школьники и студенты, занимающиеся физической культурой по стандартной общешкольной или ВУЗовской программе (школьники - 3 раза в неделю по 45 мин, студенты -2 раза в неделю по 1,5 астрономических часа).
3-я группа - несовершеннолетние осужденные, находящиеся в местах лишения свободы более 1 года. В распорядке дня воспитательного учреждения физическая подготовка отсутствует.
С целью корректности сравнения в каждую группу вошли подростки 16-17 лет, не имеющие различий по индексу Кетле, по 35 человек.
Исследование ВРС проводили на аппаратно-программных комплексах компании «НейроСофт».
Регистрацию и математический анализ показателей ВРС проводили в соответствии с «Международным стандартом» (1996) по 5-минутным записям в положении клино- и ортостаза. Текущее ФС организма оценивали по показателю ТР (общая мощность спектра) с учетом вклада быстрых колебаний (HF), отражающих активность парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (ВНС), медленных колебаний (LF) - маркер активности симпатических влияний и очень медленных колебаний (VLF), отражающих в определенной степени, гуморально-метаболические и церебральные эрготроп-ные влияния на модуляцию сердечного ритма. Отношение LF/HF расценивали как симпато-парасимпатичес-
кий баланс. Реактивность парасимпатического отдела ВНС при проведении активной ортостатической пробы (АОП) оценивали по коэффициенту 30:15 (К30: 15), выраженность активации симпатоадреналовой системы в ответ на ортостаз - по изменению процентного вклада отношения LF/HF с учетом динамики абсолютных значений LF-компонента.
Максимальное велоэргометрическое тестирование проводили по Ramp-протоколу. В нагрузочный период мощность W1 (Ватт) первой ступени длительностью 3 мин рассчитывали исходя из величины долженствующего основного обмена (ДОО) в килокалориях по формуле: W1 (Вт)=Д00-0,1 (ДОО определяли по таблице Гар-риса-Бенедикта.) В дальнейшем нагрузка ступенчато возрастает каждую минуту на 30 Вт до индивидуального максимума (max) - снижения скорости педалирования ниже 30 оборотов в минуту, определяющего начало восстановительного периода длительностью 7 мин.
С целью определения количественных эргометри-ческих критериев нами рассчитаны математические модели нагрузочной (МН) и восстановительной (МВ) частоты сердечных сокращений (ЧСС).
Гиперболический и логарифмический характер динамики ЧСС восстановления и нагрузки соответственно позволил предложить их математические модели, для оптимального построения которых использован метод наименьших квадратов.
В общем виде формулы моделей МВ и МН имеют следующий вид: у=а/х+Ь, y=algx+b соответственно, где x - время восстановления / нагрузки в секундах, у -ЧСС в секунду (1/R-R), a - параметр модели (наклон), характеризующий скорость изменения ЧСС, b - параметр модели (отрезок), характеризующий постоянную составляющую ЧСС.
Выявленные индивидуальные показатели (а, b) являются основными моделирующими критериями и, следовательно, могут быть использованы как динамические критерии восстановительного и нагрузочного периодов.
Кроме того, для характеристики выборки были использованы следующие показатели: средняя ЧСС нагрузки и восстановления (ЧССн, ЧССв), максимум пере-не сен ной наг руз ки в Ват тах (W).
Интервал Т, характеризующий ФС организма в пе ри од фи зи чес кой наг руз ки, оп ре де ля ли сле ду ю щим образом: кривую ритмограммы анализируют путем создания математической модели изменчивости кардиоин-тервалов с построением наилучших трендов (функций, моделирующих основную тенденцию изменчивости) -двух прямых: первой - в период нарастания ЧСС (уменьшения длительности кардиоинтервалов), второй -в период достижения максимальной ЧСС (стабилизации длительности кардиоинтервалов) [9].
Длительность временного интервала от начала нагрузки до точки пересечения наилучших трендов определялась нами как искомый интервал (Т).
Далее ЭКГ периода восстановления анализируют путем построения суммарного распределения R-R длительностей. Учитывают время достижения наиболее выраженного экстремума - первого максимума (max).
Результаты исследования обрабатывали с помощью статистических пакетов программ Microsoft Excel 7 и Statistica 6.0. Принимая во внимание, что распределение значений отличалось от нормального, данные представлены в виде медианы (Ме), 25-го и 75-го перцентиля (Пц). Существенность различий оценивали по непараметрическим критериям Kruskal-Wallis - при множественных и Mann-Whitney - при парных сравнениях. Корреляционный анализ проводили по критерию Spearman.
Результаты и их обсуждение
Результаты исследования представлены в таблице. В клиностазе наилучшее ФС организма демонстрировала 3-я группа подростков. Оно достигается преобладанием ТР преимущественно за счет высокочастотного компонента, характеризующего выраженную ваготонию покоя. Причем существенное преобладание низкочастотного спектра в этой группе подростков свидетельствует о выраженном участии симпатического компонента в общем вегетативном конт ро ле. От су т ствие межг руп по вых раз ли чий по активности очень медленных волн изобличает гуморально-метаболическое доминирование, однако свидетельствует о его заметном относительном участии в приспособительной регуляции 1-й (36%) и 2-й (31%) групп (сравнительно в 3 - 20%).
ФС организма подростков 1-й и 2-й групп неразличимо лишь на первый взгляд, в который попадает общая и гуморально-метаболическая ак тив ность. Су ще ст вен ные раз ли чия вы со ко и низкочастотных составляющих определяют характер вегетативной регуляции: у подростков 2-й группы преимущественно за счет парасимпатической активности, 1-й - посредством фактически равного вклада обеих составляющих. Последнее
обстоятельство свидетельствует о симпатической за ин те ре со ван нос ти и стрес со вой нап ря жен нос ти у подростков данной группы.
Ортостаз проявляет существенное доминирование парасимпатической реактивности у подростков 3-й группы, причем данный показатель у подростков 2-й группы существенно проигрывая лидеру, тем не менее, заметно преобладает над таковым у подростков 3-й группы.
Сим па ти чес кая ре ак тив ность, зна чи мо не различаясь между собой, существенно преобладает у подростков 1-й и 2-й групп.
Наибольшая нагрузка, перенесенная подростками 1-й группы, обеспечивается минимальной средней ЧСС нагрузки и восстановления, что подтверждается соответствующими моделирующими критериями: минимальным и максимальным (соответственно) углом наклона ЧСС, наиболее позд ним нас туп ле ни ем ри гид но го рит ма (точ ки пересечения трендов) и максимума распределения R-R восстановления. При этом подростки 2-й группы, по всем показателям существенно проигрывая лидеру, статистически существенно опережают подростков 3-й группы.
Таким образом, анализ групп сверстников, не различающихся по индексу Кетле, выявил существенное превосходство адаптационных возможностей спортсменов циклических видов спорта. Оно достигается в статическом состоянии максимальным уровнем вегетативного, преимущественно парасимпатического контроля, раскрывающимся в динамике наивысшей работоспособностью с минимальным обеспечением и быстрым восстановлением. Подрост ки 2-й и 3-й групп су ще ст вен но ус ту пая ли де ру, также имеют выраженные различия, которые проя-
Таблица
Результаты исследования показателей ВРС у наблюдаемых подростков
Груп- Пока- Клиностаз Ортостаз Нагрузка Восстановление
К (30:15)
пы затели TP VLF LF HF LF/HF ЧССн МН T W ЧССв МВ max
Ме 3893 812 820 2021 2,54 1,57 137 -56,3 499 240 86 98,6 1,3
1-я 25Пц 3334 734 519 1472 1,07 1,4 132 -63,4 462 240 81 92,2 1,2
75Пц 6036 1009 1160 4226 3,61 1,69 146 -49,3 563 270 93 105,6 1,4
Ме 2243 685 393 1004 4,58 1,45 158 -49,0 383 195 107 93,3 1,6
2-я 25Пц 1617 483 303 567 2,44 1,36 151 -57,3 330 180 102 82,9 1,6
75Пц 2829 930 624 1229 9,96 1,53 163 -42,7 412 240 112 100,8 1,7
Ме 2014 722 596 719 4,02 1,33 168 -30,3 244 120 121 86,2 1,8
3-я 25Пц 1562 449 361 334 2,03 1,21 164 -46,1 170 90 108 82,3 1,7
75Пц 2589 1029 759 1250 6,95 1,48 173 -22,3 266 150 130 94,8 2
Коэф-
фициент
Общая корре-
вы- ляции -0,46 -0,17 -0,31 -0,52 0,27 -0,23 0,69 0,72 -0,83 0,63 0,67 -0,7 0,78
борка группового ранга
вились в группе несовершеннолетних осужденных относительным симпатическим преобладанием в клино- и снижением парасимпатической реактивности в ортостазе, вскрываясь значительным падением перенесенной нагрузки в максимально тя же лых ус ло ви ях ее обес пе че ния при дли тель ном восстановлении. Причем, если у школьников имеет место лишь снижение адаптационных возможностей без нарушения вегетативной регуляции (если не считать избыточного симпатического доминирования в ортостазе), то у подростков 3-й группы сочетание депрессии парасимпатической регуляции клиностаза со снижением одноименной реактивности в ортостазе (К30:15) на фоне симпатического доминирования (в клиностазе и относительного в ортостазе) свидетельствует о нарушении функционирования возвращающих к норме механизмов (тормозных влияний) [10]. Последнее обстоятельство объясняет результаты физического стресса, когда меньшая перенесенная нагрузка сочеталась с преобладающей средней ЧСС, а также моделирующими критериями нагрузки и восстановления.
В связи с тем, что большинство сравниваемых показателей имеют существенные межгрупповые различия, необходимо решить вопрос о значимости каждого из них. Корреляционный анализ группового ранга с каждым сравниваемым показателем поз во лил оп ре де лить их су ще ст вен ность. Пос кольку групповые ранги, по сути, определяют уровни адап та ци он ных воз мож нос тей (груп пы здо ровья), корреляционные показатели с тем же успехом характеризуют влияние на формирование последних. В этом клю че на и боль шую вза и мос вязь де мо н-стрируют динамические: нагрузочные и восстановительные показатели, в то время как стационарные (клиноортостатические) имеют существенно меньшее значение.
С целью дальнейшего теоретического осмысления выявлены оптимальные адаптационные показатели, наиболее адекватно характеризующие ФС организма в различные периоды: в клиностазе - НЕ компонент, в ортостазе - индекс к 30/15, в период нагрузки - интервал Т, на этапе восстановления -максимум распределения. Оптимальным разграничительным показателем является интервал Т.
Выявленные фазовые критерии не только оптимизируют исследовательский процесс, уменьшая количество первичных данных, но и объясняют патофизиологическую прогредиентную динамику дезадаптации и нарушения вегетативного контроля от ваготонии (в норме) до парасимпатической депрессии в покое далее к избыточной активации симпатики в ортостазе с дальнейшим падением парасимпатической реактивности. Выявленная последовательность имеет характерное подтверждение, проявляющееся (поэтапным) снижением толерантности к физической нагрузке, определяемой с учетом существенных различий, как в нагрузочных, так и в восстановительных показателях. Кро-
ме того, умеренная корреляционная связь парасимпатической активности с нагрузочными (Т-0,4) и восстановительными (max - (-0,47)) показателями [11] позволяет сделать предположение о ее непосредственном влиянии на формирование последних.
Выявление разграничивающим критерием ин тер ва ла Т, ко то рый по фи зи о ло ги чес кой су ти оп ре де ля ет фи зи чес кое ка че ст во - вы нос ли вость, поз во ля ет сде лать вы вод и подт вер дить из ве ст ные по ло же ния о клю че вом зна че нии пос лед не го в расширении адаптационных возможностей организма в целом [4].
С целью улучшения ФС организма школьников и студентов данной возрастной группы наиболее эффективным направлением физической тренировки является развитие у них такой двигательной способности, как общая выносливость.
В со от ве т ствии с пра вом не со вер шен но лет них осужденных наохрану здоровьявусловиях воспитательной колонии, вследствиесущественного ограничения у них двигательной активности, целесообразно вве де ние раз лич ных ви дов и форм фи зи чес ких упражнений с направленностью нагрузки наразви-тие общей выносливости. В связи с необходимостью целенаправленного и эффективного развития указан ной дви га тель ной спо соб нос ти, за ня тия в вос-пи та тель ных ко ло ни ях долж ны про во дить ся под ру ко во д ством ква ли фи ци ро ван ных спе ци а лис тов в области пенитенциарной физической культуры (с уче том осо бен нос тей кон тин ген та вос пи тан ников, ре жи ма уч реж де ния, спе ци фи ки нап рав лен-нос ти вос пи та тель но го воз дей ствия и свя зан ных с ними средств, методов и условий воздействия).
Заключение
Вы со кий уро вень ве ге та тив но го конт ро ля, проявляющийся ваготонией покоя, выраженной па ра сим па ти чес кой ре ак тив ностью ор тос та за и вы со кой то ле ра нт ностью к фи зи чес кой наг руз ке, позволяет свидетельствовать в пользу наилучшего ФС ор га низ ма под ро ст ков.
Проявлением адаптационной недостаточности яв ля ет ся низ кий уро вень ве ге та тив но го конт ро ля, обнаруживающий в покое симпатическое и гумо-рально-метаболическое доминирование, возрастание с последующей деградацией симпатической и ран нюю деп рес сию па ра сим па ти чес кой ре ак тив-нос ти ор тос та за, при во дя щие, по су ти, к ин то ле рант нос ти фи зи чес кой наг руз ки.
Оптимальными адаптационными показателями, характеризующими ФС организма подростков в различные периоды, являются следующие: в клиностазе - HF компонент, в ортостазе - индекс К30:15, на этапе восстановления - максимум рас-п ре де ле ния, в пе ри од наг руз ки - ин тер вал Т. Послед ний, кро ме то го, име ет на и боль шее срод ство с групповым рангом, что определяет его наилучшие разг ра ни чи ва ю щие и оце ноч ные (в пла не адап та-ци он но го по тен ци а ла) воз мож нос ти.
В связи с тем, что интервал Т является критерием общей выносливости, развитие данного качества рекомендовано с целью расширения адаптаци-он ных воз мож нос тей ор га низ ма под ро ст ков.
В соответствии с правом несовершеннолетних осуж ден ных на ох ра ну здо ровья и всле д ствие
существенного ограничения у них двигательной ак тив нос ти ре ко мен до ва но вве де ние фи зи чес ких упражнений, развивающих общую выносливость под руководством квалифицированных специа-лис тов в об лас ти пе ни тен ци ар ной фи зи чес кой куль ту ры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Постановление Правительства РФ от 21.03.2007 г. №172 «О Федеральной целевой программе «Дети России» на 2007-2010 годы».
2. Дмитриева И.В., Глазачев О.С. Индивидуальное здоровье и полипараметрическая диагностика функциональных состояний организма, М.: Горизонт, 2000.
3. Вегетативные расстройства. Клиника, диагностика, лечение. Под ред. А.М. Вейна. М.: Медицинское информационное агентство, 1998.
4. Меерсон Ф.З., Пшенникова М.Г. Адаптация к стрессовым ситуациям и физическим нагрузкам. М.: Медицина, 1988.
5. Ноздрачев АД, Щербатых Ю.В. Современные способы оценки функционального состояния автономной (вегетативной) нервной системы. Физиология человека. 2001; 6: 95-101.
6. Баевский Р.М. Концепция физиологической нормы и критерии здоровья. Рос. физиол. журнал. 2003; 4 (89): 473-487.
7. Михайлов В.М. Нагрузочное тестирование под контролем ЭКГ. Иваново: ООО ИИТ «А-Гриф», 2005.
8. 36th Bethesda Conference Eligibility Recommendations for competitive Athletes With Cardiovascular Abnormalities. Journal of the American College of Cardiology. 2005; 8 (45).
9. Похачевский А.Л. Оценка функционального состояния по кардиоритмограмме при велоэргометрии. Физиология человека. 2007; 33; 6: 1-4.
10. Михайлов В.М., Похачевский А.Л. и др. Количественная оценка текущего функционального состояния при стрессе. Пат. физиол. и эксп. тер. 2006; 2: 19-22.
11. Gaibazzi N, Petrucci N, Ziacchi V. One-minute heat rate recovery after cycloergometer exercise testing as a predictor of mortality in a large cohort of exercise test candidates: substantial differences with the treadmill-derived parameter. Ital. Heart J. 2004; 5 (3): 183-188.
