УДК:612.217:616.233-002.2:613.735
С.П.Ершов, Н.Н.Вавилова, Ю.М.Перельман
ТРЕНИРОВКА ДЫХАТЕЛЬНЫХ МЫШЦ С ПОМОЩЬЮ СУБМАКСИМАЛЬНЫХ НАГРУЗОК
НА ВЕЛОЭРГОМЕТРЕ
РЕЗЮМЕ
Разработана новая технология восстановления функционального состояния дыхательных мышц с помощью цикла интенсивных тренировок на велоэргометре с индивидуально подобранной нагрузкой. Методами эргоспирометрии, электромиографии, спирометрии форсированного выдоха обследованы 23 больных хроническим бронхитом. Показана высокая эффективность разработанной технологии по сравнению с традиционными схемами лечения.
SUMMARY
S.P. Ershov, N.N. Vavilova, J.M. Perelman
RESPIRATORY MUSCLE TRAINING WITH SUBMAXIMAL LOADS AT VELOERGOMETER
New technology of respiratory muscle function state recovery with the help of individually selected veloergometric exercises was elaborated. 23 patients with chronic bronchitis were examined using ergometry, electromyography, spirometry at forced expiration.
New technology proved to be effective in comparison with traditional methods.
Хронический бронхит (ХБ) сопровождается существенными изменениями функционального состояния дыхательных мышц, связанными с необходимостью не только преодоления повышенного неэластического сопротивления дыханию, но и поддержания гипервентиляции [4]. Прогрессирование заболевания сопровождается ухудшением энергоснабжения при одновременном увеличении энергозатрат, повышается "кислородная цена" дыхания, что приводит к утомлению дыхательных мышц, их дис-координации и слабости, которые усугубляют вентиляционную недостаточность и в значительной степени определяют неблагоприятный прогноз при ХБ [4,5].
Для восстановления функционального состояния дыхательных мышц применяют специальные и общие тренировки. Специальные тренировки, такие как инспираторная резистивная нагрузка и максимальная вентиляция легких преимущественно влияют не на
силу, а на выносливость дыхательных мышц [1,8,10]. Наряду с такими положительными сторонами применения нагрузки с повышенным сопротивлением дыханию как простота технического устройства, доступность в проведении тренировок в общелечебной сети, воздействие только на дыхательную мускулатуру, она имеет большой недостаток по сравнению с общефизической тренировкой, который заключается в меньшем воздействии на скелетную мускулатуру, сердечно-сосудистую систему. В то же время тренировка этих систем способствует и увеличению силы дыхательных мышц. Максимальная вентиляция легких, кроме того, приводит к гиперкапнии, которая способствует увеличению обструкции дыхательных путей, что противопоказано больным с выраженными нарушениями вентиляционной функции легких.
При использовании общетренирующего режима для тренировки дыхательных мышц, по мнению ряда авторов, необходимо длительное время [7,11]. В то же время ранее нами [2] показано, что применение курса интенсивных тренировок на велоэргометре в течение 2 недель с мощностью нагрузки на уровне 70-80% индивидуальной толерантности позволяет повысить выносливость больных ХБ.
Недостатком вышеописанных методов тренировки является то, что они не позволяют заранее прогнозировать эффективность лечения больных ХБ. Противоречивы данные о сроках продолжительности тренировки. В литературе нет работ, связанных с изучением электрической активности дыхательных мышц при тренировке. Отсутствуют данные об изменениях силы экспираторных мышц после тренировки. Не показано перераспределение вклада различных вспомогательных мышечных групп и диафрагмы после тренировки. Отсутствуют данные о взаимосвязи показателей спектра ЭМГ с показателями физической работоспособности, что позволяло бы достаточно точно рассчитывать адекватную тренировочную нагрузку. По данным литературы, не разработаны способы прогнозирования результатов тренировки, необходимые для определения показаний к ее проведению.
Целью настоящей работы было изучение влияния на функциональное состояние дыхательных мышц у больных хроническим бронхитом курса интенсивных тренировок на велоэргометре с субмаксимальной нагрузкой на уровне 70-80% индивидуальной толерантности по методике Н.Н.Вавиловой [2] и разработка на этой основе технологии восстановления функции дыхательной мускулатуры.
Материал и методы исследования
Обследованы 23 человека, составивших 2 группы. В 1-ю (контрольную) группу вошли 10 больных хроническим бронхитом (ХБ), в том числе 4 больных хроническим необструктивным бронхитом и 6 больных хроническим обструктивным бронхитом, получавших только обычное фармакологическое лечение. Среди них 5 мужчин и 5 женщин. Средний возраст больных 39±4,9 лет, средний рост - 166±2,7 см, вес -72±4,9 кг. У 5 больных этой группы отмечалась одышка при легкой физической нагрузке, у 2 - при тяжелой, у 3 она отсутствовала. Курящих было 2.
Во 2 группу включены 13 больных ХБ, в том числе 4 больных необструктивным хроническим бронхитом и 9 больных обструктивным хроническим бронхитом, которые, наряду с обычным фармакологическим лечением, прошли курс из 10 тренировок на велоэргометре. Среди них 10 мужчин и 3 женщины. Средний возраст больных 36±3,3 лет, средний рост - 173±2,4 см, вес - 72±2,7 кг. У 5 больных этой группы отмечалась одышка при легкой физической нагрузке, у 6 - при тяжелой, у 3 она отсутствовала. Курящих было 6.
Функциональное состояние диафрагмы (Д), большой грудной (БГ), грудинно-ключичнососцевидной (ГКС) и прямой мышц живота (ПЖ) изучалось методами электромиографии (ЭМГ), спектрального анализа ЭМГ и измерения максимального ротового давления. ЭМГ регистрировалась на миографе Мв-42 (Венгрия) и анализаторе спектра СК-56 (Россия). С электродов сигнал поступал в систему усиления миографа и анализатора спектра, затем в интегратор с постоянной времени 100 мс. С помощью свободных каналов на шине данных комплекса «Эрих Егер» (Германия) выставлялись цифровые коды и проводилась регистрация и визуализация электромиограмм в виде интегрированных кривых. Посредством аналого-цифрового преобразователя сигнал кодировался и автоматически обрабатывался. Определялись амплитуда (А), отношение амплитуд ЭМГ на частотах 300 и 500 гц к амплитуде на частоте 50 гц (В/Н), центральная (ЦЧ) и максимальная (Чмакс) частоты и мощность (М) спектра ЭМГ.
Исследования проводились при спокойном дыхании, максимальной вентиляции легких, на уровне максимально глубокого вдоха и выдоха, при пробе Мюллера от уровней ООЛ и ФОЕ, пробе Вальсальвы от уровней ОЕЛ и ФОЕ.
Кривые ротового давления регистрировались электронным манометром. Максимальное ротовое инспираторное и экспираторное давление измерялись в см вод.ст.
Вентиляционную функцию легких исследовали методами бодиплетизмографии, спирометрии форсированного выдоха с анализом кривой поток-объем и измерения параметров паттерна спокойного дыхания. Бодиплетизмография выполнялась на блоке "Боди-тест" ОМ/04-А комплекса «Эрих Егер» (Германия). Параметры паттерна дыхания регистрировали синхронно с ЭМГ на комплексе «Эрих Егер».
Реакция дыхательной системы на физическую нагрузку изучалась методом эргоспирометрии на аппарате "Эрго-пневмотест" ОМ/05-Ц (Эрих Егер, Германия) с газоанализом выдыхаемого воздуха по О2 и СО2. Физическая нагрузка задавалась на велоэргометре в положении сидя под мониторным электрокардиографическим контролем и контролем артериального давления по Короткову. Для определения толерантности к физической нагрузке использовалась нагрузка возрастающей мощности, стандартизированная по отношению к должной аэробной мощности для индивидуума данного пола, возраста и массы тела. Максимальный уровень выполненной нагрузки оценивался как предел функциональных возможностей организма. Каждые 15-30 сек автоматически обрабатывалась информация о вентиляции, газообмене и газотранспорте в трех функциональных состояниях организма - в покое, во время мышечной нагрузки и в течение 8 минут после нагрузки.
Анализ максимальных абсолютных и относительных величин системы транспорта кислорода проводился по частоте дыхания (ЧД), минутному объему дыхания (МВЛ), максимальному потреблению кислорода (ПО2), потреблению кислорода за время работы (ПО2Р), суммарному потреблению кислорода (ПО2Т), метаболической интенсивности (Мет).
Анаэробный компонент газообмена оценивался по дыхательному коэффициенту (ДК), анаэробной фракции работы (ААФ). Газотранспортная деятельность определялась по максимальной частоте сердечных сокращений (ЧСС), кислородному пульсу (КП). Напряжение деятельности сердечнососудистой системы по отношению к достигнутому уровню газообмена определялась по показателю прироста ЧСС от величины покоя до максимума к максимальной Мет (ДЧСС/Мет). Объем выполненной нагрузки оценивался в единицах работы (^) и мощности (^).
Статистическая обработка результатов проводилась с использованием корреляционного, регрессионного, дискриминантного анализов. Достоверность различий параметров между выборками определялась с помощью критериев Стьюдента, Колмогорова-Смирнова, Манна-Уитни, Вилкоксона, Кенделя.
Таблица 1
Показатели вентиляционной функции легких
Показатель 1 группа 2 группа
ЖЕЛ, л 4,45±0,46 5,76±0,43
ООЛ, л 2,57±0,56 2,18±0,20
ООЛ/ОЕЛ, % 35,5±5,80 27,6±1,30
ОФВЬ л 2,99±0,49 3,96±0,33
ОФВ^ЕЛ, % 68,6±0,71 68,7±0,75
МОС50, л/с 3,28±0,98 3,64±0,32
МОС75, л/с 1,14±0,29 1,66±0,35
Результаты исследования
Из данных, представленных в табл. 1, следует, что больные обеих групп не различались по показателям вентиляционной функции легких. При внутригрупповом исследовании у больных ХБ, получавших только фармакологическое лечение, отмечено улучшение функции диафрагмы, проявлявшееся уменьшением инспираторной активности до 5,34±2,02 мкВ (до лечения - 8,56±2,52 мкВ, р<0,05) и мощности спектра ЭМГ при субмаксимальном усилии до 209,7±38,3 гц (до лечения - 260,7±62,0 гц, р<0,05). Уменьшилась средняя скорость экспираторного потока при спокойном дыхании до 0,30±0,03 л/сек (до лечения - 0,32±0,03 л/сек, р<0,05). В то же время не было отмечено достоверного улучшения параметров кривой поток-объем форсированного выдоха.
У больных, которым проводилось комплексное лечение, включавшее 10 тренировок на велоэргометре в течение 2 недель с мощностью нагрузки на уровне 70-80% индивидуальной толерантности, получены значительно более выраженные положительные изменения, характеризующие улучшение функционального состояния не только диафрагмы, но и вспомогательных дыхательных мышц (БГ, ГКС, ПЖ).
Увеличилась электрическая активность диафрагмы при максимальном инспираторном усилии на уровне ЖЕЛ (табл. 2). Снизилась активность ПЖ при
максимальном инспираторном усилии. Изменился спектр ЭМГ диафрагмы при спокойном дыхании: увеличилась его максимальная частота (табл. 3). В то же время при субмаксимальном инспираторном усилии Чмакс ЭМГ диафрагмы после курса тренировок достоверно упала до 185±14,3 гц (до тренировок -287±35,3 гц, р<0,05). Отмечено двукратное снижение мощности спектра большой грудной мышцы при спокойном дыхании. Уменьшилась активность грудинно-ключично-сосцевидной мышцы при субмак-симальном инспираторном усилии, что характеризовалось достоверным снижением максимальной частоты с 316±27,3 до 210±46,2 гц (р<0,05) и мощности спектра ее ЭМГ с 64,0±23,0 до 54,0±26,0 вольт (р<0,05).
Отмечено улучшение сократительной способности инспираторных дыхательных мышц: максимальное инспираторное ротовое давление достигло после курса тренировок 115±8,9 см вод.ст. (исходное -77,4±7,0 см вод.ст., р<0,05).
Изменение электрической активности, спектра ЭМГ и сократительной способности дыхательных мышц сопровождалось перестройкой паттерна дыхания, состоявшей в уменьшении абсолютной (с 1,64±0,14 до 1,45±0,07 сек, р<0,05) и относительной (с 0,46±0,02 до 0,37±0,02, р<0,05) продолжительности вдоха и увеличении относительной продолжительности выдоха (с 0,54±0,02 до 0,63±0,02, р<0,05).
Таблица 2
Амплитуда фазной электрической активности ( мкВ) дыхательных мышц у больных ХБ
Мышца Показатель До тренировки После тренировки р
Диафрагма Адо 2,05±0,70 1,73±0,22 >0,05
Ажел 15,8±3,27 47,2±8,17 <0,05
Амвл 18,6±6,22 24,8±5,47 >0,05
Грудинно-ключично-сосцевидная АДО 1,38±0,35 1,45±0,28 >0,05
Ажел 71,7±8,3 77,0±12,1 >0,05
Амвл 35,3±10,5 35,5±29,1 >0,05
Большая грудная АДО 0,87±0,23 0,55±0,11 >0,05
Ажел 12,2±3,35 13,0±8,39 >0,05
Амвл 11,0±8,0 11,0±7,0 >0,05
Прямая мышца живота АДо 1,44±0,48 2,08±0,69 >0,05
Ажел 11,1±2,53 5,42±2,09 <0,05
Таблица 3
Показатели спектра частот ЭМГ дыхательных мышц: мощность (М) и максимальная частота (Чмакс)
Мышца Показатель До тренировки После тренировки р
Диафрагма М, вольт 11,8±1,85 9,21±1,65 >0,05
Чмакс., гц 188±9,3 225±7,8 <0,05
Большая грудная М, вольт 9,29±1,69 4,49±0,80 <0,05
Чмакс., гц 220±15,3 206±22,0 >0,05
Грудинно-ключично-сосцевидная М, вольт 7,89±1,66 10,2±2,26 >0,05
Чмакс., гц 226±19,8 185±14,3 <0,05
Прямая мышца живота М, вольт 7,56±1,54 7,48±1,22 >0,05
Чмакс., гц 194±11,3 194±18,8 >0,05
В результате тренировок отмечено существенное улучшение вентиляционной функции легких, которое проявлялось снижением МОД, уменьшением ООЛ, увеличением РОвыд и ОФВ1 (табл. 4).
Взаимосвязь сократительной способности дыхательных мышц и вентиляционных параметров подтверждена нами с помощью корреляционного анализа. Коэффициент корреляции между Рвд и ОФВ1 составил 0,72 (р<0,01). Отмечена обратная связь Рвд и МОД (г=-0,69, р<0,01). С увеличением силы сокращения дыхательных мышц возрастала и физическая работоспособность больных (табл. 5). Отмечен рост продолжительности выполнения работы и максимальной мощности выполненной нагрузки, как общей, так и на килограмм веса. Соответственно увеличению мощности нагрузки и ее продолжительности выросло потребление кислорода.
Корреляционный анализ зависимости между показателями, отражающими функциональное состояние дыхательных мышц и физическую работоспособность, показал, что максимальная частота спектра ЭМГ диафрагмы тесно коррелировала с максимальной
Таблица 4 Вентиляционная функция легких у больных ХБ
Показатель До тренировки После тренировки р
МОД, л 16,0±1,12 12,8±1,22 <0,05
ЖЕЛ, л 5,73±0,43 5,66±0,43 >0,05
РОвд, л 2,82±0,35 2,55±0,30 >0,05
РОвыд, л 1,88±0,22 2,22±0,30 <0,05
ООЛ, л 2,18±0,20 1,86±0,21 <0,05
ОЕЛ, л 7,91±0,58 7,52±0,54 >0,05
ООЛ/ОЕЛ, % 27,6±1,30 25,0±2,46 >0,05
ОФВЬ л 3,96±0,33 4,05±0,33 <0,05
ОФВ^ЖЕЛ, % 69,8±3,66 72,1±2,49 >0,05
МОС50, л/с 3,64±0,32 3,69±0,49 >0,05
МОС75, л/с 1,66±0,35 1,51±0,55 >0,05
Таблица 5 Динамика эргоспирометрических показателей у больных ХБ после курса велоэргометрических тренировок
Показатель До тренировки После тренировки р
V , кДж 65,6±4,32 77,3±5,96 <0,01
XV, Вт/кг 3,1±0,18 3,3±0,19 <0,05
\¥,% от долж. 91±5,7 98±6,5 >0,05
ААФ, % 3,3±1,74 4,9±1,74 >0,05
ПО2, л 2,68±0,09 2,86±0,08 <0,05
V, Вт 220±5,8 236±8,0 <0,05
ПО2Р, л 8,4±0,84 10,5±0,84 <0,01
ПО2Т, л 21,5±1,23 23,9±1,21 <0,05
МВЛ, л 68,3±3,71 76,0±4,19 <0,05
Время исследования, мин 19,7±0,69 20,3±0,84 <0,05
мощностью работы (\У , Вт), выполненной на велоэргометре (г=0,73, р<0,01), а Рвд - с максимальным потреблением кислорода (г=0,61, р<0,05). Улучшение сократительной способности дыхательных мышц было связано с увеличением аэробных процессов окисления и улучшением энергообеспечения, что подтверждалось достоверной корреляцией между Рвд и парциальным давлением О2 вартериализированной капиллярной крови(г=0,65, р<0,05).
Мощность нагрузки зависела от силы сокращения дыхательных мышц. Коэффициент корреляции между Рвд и \¥ (Вт) был равен 0,70 (р<0,05). В связи с этим нами предложено уравнение для расчета максимальной мощности выполняемой нагрузки у больных ХБ в зависимости от функционального состояния дыхательных мышц:
\¥ (Вт) = 57,0+1,52хРвд (см вод.ст.).
С целью прогнозирования эффективности тренировки дыхательных мышц в зависимости от их сократительной способности и исходных параметров вентиляционной функции легких проведен дискриминантный анализ, на основании которого выведено уравнение следующего вида:
Ф = -9,57хМОД (л)+0,88хРвд (см вод.ст.).
Граничное значение дискриминантной функции (Ф) равно -44,2, при Ф>-44,2 прогнозируется положительный эффект от применения курса тренировок на велоэргометре. Вероятность правильного прогноза составляет 80%.
Обсуждение результатов
Как было показано, воздействие интенсивных физических тренировок на уровне 70-80% индивидуальной толерантности к физической нагрузке на дыхательную мускулатуру улучшает ее функцию, способствует нормализации паттерна дыхания, проходимости дыхательных путей и повышению физической работоспособности. При использовании для оценки функционального состояния дыхательных мышц метода электромиографии, спектрального анализа ЭМГ и измерения максимального ротового ин-спираторного давления отмечена существенно более выраженная положительная динамика у больных ХБ, получивших курс велотренировок по сравнению с контрольной группой. В последней отмечалось лишь уменьшение электрической активности и мощности спектра ЭМГ диафрагмы при субмаксимальном усилии. Не было достоверного улучшения вентиляционной функции легких. В группе больных ХБ, выполнявших тренировки, отмечалось изменение электрической активности диафрагмы на уровне ЖЕЛ и вспомогательной инспираторной мускулатуры. Были выявлены изменения со стороны спектра ЭМГ дыхательных мышц при спокойном дыхании, что связано с перераспределением вклада работы вспомогательных мышц в акт дыхания в связи с улучшением функционального состояния диафрагмы.
Увеличение силы сокращения дыхательных мышц, очевидно, связано с подбором адекватной физической нагрузки для тренировки в отличие от дру-
гих авторов [6], которые не обнаружили улучшения силы сокращения дыхательных мышц, объяснив это недостаточной тренировочной нагрузкой.
Изменения паттерна дыхания, связанные с уменьшением работы инспираторных мышц и увеличением продолжительности их отдыха, способствуют более длительному их энергообеспечению и следовательно проявлению большей силы в период их сокращения, что является благоприятным признаком для дальнейшей тренировки дыхательных мышц. Уменьшение МОД, отмеченное в нашей работе, связано со снижением работы вспомогательной дыхательной мускулатуры, поскольку после тренировки исчезали условия для гипервентиляции, вследствие того, что улучшалось потребление кислорода и процессы газообмена.
Р.Т.Р.Вуе й а1. [9] показали, что увеличение мощности нагрузки и потребления кислорода являются хорошими признаками тренировки дыхательных мышц. В нашей работе это подтверждается достоверными корреляционными связями между параметрами спектра ЭМГ, Рвд, показателями газообмена и мощностью нагрузки. Уменьшение эмфиземы легких после тренировочного процесса связано непосредственно с увеличением силы сокращения, в первую очередь диафрагмы, которая по всей видимости, изменяя свою кривизну, снижает тонус и максимально расслабляется в период отдыха. Увеличение скоростных параметров форсированного выдоха обусловлено ростом силы сокращения всех инспираторных мышц при максимальном усилии, что подтверждается корреляционной зависимостью между Рвд и ОФВЬ
Таким образом, тренировка на велоэргометре способствует не только улучшению физической работоспособности, но и функционального состояния дыхательных мышц. Нормализация функционирования дыхательных мышц приводит к эффективной перестройке паттерна дыхания, улучшению вентиляционной функции легких, увеличению мощности нагрузки, продолжительности тренировки и потребления кислорода с улучшением газообмена в легких.
Разработанная нами оригинальная технология восстановления функции дыхательных мышц зарегистрирована в качестве изобретения «Способ лечения больных с дыхательной недостаточностью» (положительное решение о выдаче патента ФИПС от 10 марта 1999 г.).
Выводы
1. При общепринятом фармакологическом лечении больных ХБ отмечено лишь незначительное улучшение функции диафрагмы, которое не повлияло на улучшение вентиляционной функции легких.
2. После курса тренировок на велоэргометре с мощностью нагрузки на уровне 70-80% индивидуальной толерантности к физической нагрузке происходит выраженное улучшение функции диафрагмы и вспомогательных дыхательных мышц, что способствует перераспределению их вклада в акт дыхания.
3. Перестройка паттерна дыхания в сторону увеличения периода отдыха инспираторных мышц способствует увеличению силы их сокращения.
4. Улучшение функции дыхательных мышц в результате тренировок приводит к улучшению вентиляционной функции легких со снижением минутного объема дыхания за счет уменьшения вентиляции мертвого пространства, улучшением бронхиальной проходимости, уменьшением воздухонаполненности легких, увеличением резервного обьема выдоха.
5. С усилением сокращения дыхательных мышц увеличивается физическая работоспособность (максимальная мощность нагрузки, ее продолжительность), максимальное потребление кислорода как показатель усиления аэробных процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев С.В. Физическая работоспособность больных ХНЗЛ и повышение ее с помощью инспира-торной резистивной тренировки: Автореф. дис... канд. мед. наук.- Л., 1991.- 23 с.
2. Вавилова Н.Н. Применение дозированной физической нагрузки для оценки функционального состояния дыхательной системы у больных хроническим бронхитом в процессе физической реабилитации: Автореф. дис... канд. мед. наук. - Л., 1991.- 16 с.
3. Ершов С.П. Электрофизиологическая характеристика функционального состояния дыхательных мышц при хроническом бронхите//Бюлл.СО АМН СССР. - 1991, № 3.-С.61-64.
4. Чучалин А.Г., Айсанов З.Р. Нарушение функции дыхательных мышц при хронических обструк-тивных заболеваниях легких//Тер. архив.- 1988.- № 7.- С.126-131.
5. Aldrich T.K. Respiratory muscle fatigue//Clin. Chest Med.- 1988.- Vol.9, № 2.- P.225-236.
6. Andersen J.B., Dragsted L., Kann T. et al. Resistive breathing training in severe chronic obstructive pulmonary disease. A pilot study//Scand.J.Resp.Dis.-1979.- Vol.60, № 3.- P.151-155.
7. Asher M.I., Pardy R.L., Coates A.L. The effects of inspiratory muscle training in patients with cystic fibrosis//Am.Rev.Resp.Dis.- 1982.- Vol.126.- P.855-859.
8. Belman M.J., Mittman C. Ventilatory muscle training improves exercise capacity in chronic obstructive pulmonary disease patients//Am.Rev. Resp.Dis.- 1980.- Vol.121, № 2.-P.273-280.
9. Bye P.T.P., Esau S.A., Walley K.R. et al. Ventilatory muscles during exercise in air and oxygen in normal men//J.Appl. Physiol.- 1984.- Vol.56, № 2.-P.464-471.
10. Gross D., Ladd H.W., Riley E.J. et al. The effect of training on strength and endurance of the diaphragm in quadriplegia//Am.J.Med.- 1980.- Vol.68.- P.27-35.
11. Reid M.B., Johnson R.L. Efficiency, maximal blood flow, and aerobic work capacity of canine diaphragm//J.Appl.Physiol.- 1983.- Vol.54.- P.763-772.
□ □ □