Цифровизация технологий оперативной диагностики функциональных резервов и оценки подготовленности спортсменов

Введение. Цифровизация технологий оперативной диагностики функционального резерва организма и подготовленности (готовности) спортсмена к соревновательной деятельности относится к прикладной области спортивной физиологии и медицины. Однако без фундаментальной разработки [6] очевидна неизбежность кризиса в решении поставленной задачи. Отечественные ученые проблему оценки резервов организма спортсмена рассматривали и рассматривают как фундаментальную, с позиций теории адаптации и в приложении к тренировке [11, 13, 17, 33].

Выявляемая частота нарушений показателей «срочной» адаптации и симптомов дизадаптации организма спортсменов в соревновательный период их подготовки указывает на необходимость совершенствования средств оперативной диагностики функциональных резервов [25]. Одной из причин, приводящих к раннему исчерпанию резервов организма у молодых спортсменов, замедлению роста спортивных результатов, является использо- вание одинаковых по структуре программ тренировки взрослых спортсменов и юниоров высокой квалификации [42], в связи с чем повышается значимость качества контроля реакций систем организма на предлагаемые тренировочные нагрузки и масштаб соревновательной практики [41]. Отсутствие такого оперативного контроля приводит к неадекватному распределению экстремальных нагрузок, преждевременному исчерпанию резервов организма, снижению уровня «профессиональной готовности», нестабильной результативности, сокращению профессионального долголетия.

Из вышесказанного следует, что условием достижения высокого уровня профессиональной готовности является оперативная диагностика и динамическая оценка состояния организма спортсменов на основе современных неинвазивных методов и цифровых технологий, а также адекватная коррекция выявленных нарушений по принципу «здесь и сейчас».

Цель обзора: анализ подходов к цифровизации технологий оперативной диагностики функциональных резервов и оценки готовности организма спортсменов к соревновательной деятельности, обоснование модели многомерного анализа динамической структуры мобилизуемых резервов организма.

Методология исследования. В работе использован теоретический анализ научных исследований, посвященных разработке и внедрению цифровых технологий оперативной диагностики функциональных резервов и оценке готовности организма спортсменов. Анализировались опубликованные за последние десять лет результаты исследований отечественных и зарубежных авторов в области спортивной физиологии и медицины.

Результаты. Подходы к оперативной диагностике функциональных резервов спортсменов. Анализ публикаций, в которых представлены «цифровые» технологии оценки функционального состояния или функционального резерва спортсменов, показал, что смысловое понимание терминов «информационные технологии», «цифровые технологии», «визуализация процессов», «функциональное состояние», «функциональная готовность», «функциональный резерв» и др. до настоящего времени в спортивной науке трактуются многообразно. Целевой «семантический паспорт» ключевых слов настоящей статьи основан на отборе формулировок, используемых современными авторами в рамках системно-информационного подхода и теории адаптации [3, 19, 36, 39].

Авторами настоящей статьи понятие « функциональные резервы организма спортсмена » трактуется следующим образом: это количественно-качественные различия между параметрами физиологических процессов и уровня регуляторных механизмов, выявляемых в системах жизнеобеспечения в условиях «относительного покоя», и теми же параметрами, фиксируемыми в условиях экстремальной деятельности до отказа. Интенсивность и направленность активации исполнительных систем обеспечения экстремальной деятельности выражается количественно-качественным соотношением перестройки внутри- и межсистемных взаимосвязей между «исходным» и «экстремальным» функциональными состояниями. Индивидуальные различия в перестройках связей определяются правилом «исходного состояния».

Сформулированная гипотеза о неспецифическом информационном синдроме дезинтеграции различных функциональных систем при экстремальных воздействиях на человека [39] обосновывает причинно-следственные связи в нарушениях кросс-корреляционных отношений гомеостатических систем организма. Неспецифический синдром дезинтеграции связей функциональных систем рассматривается как первая информационная стадия нарушения физиологических функций , которая в условиях продолжения экстремального воздействия может переходить в патологическую метаболическую стадию.

В 2000-х годах активно разрабатывались информационные технологии оценки функционального состояния и функциональных резервов организма. В данных технологиях важным аспектом явилось определение соотношений параметров как максимально информативный диагностический признак [8].

На современном этапе развития спортивной науки дано физиологическое обоснование формирования и развития следующих функциональных состояний у спортсменов: оперативный покой, работоспособность, нервнопсихическое напряжение, тренированность, монотония, утомление, хроническое утомление и переутомление, перетренированность и перенапряжение [14].

Информация, получаемая в ходе современных методов диагностики функционального состояния, резервов и готовности спортсменов к соревновательной деятельности, в результате цифровой ее обработки максимально визуализируется. Визуализация как отражение конкретного качественного состояния субъекта эффективна в формате, доступном для восприятия не только специалистами группы сопровождения, но и самими спортсменами [7].

Большинство предлагаемых технологий оценки функционального состояния и резервов, реализованных во множестве программно-аппаратных диагностических комплексов [25, 35, 37, 46], не отражают полипараметри-ческую информационную интеграцию именно функциональной готовности спортсмена.

С целью оценки современного состояния диагностического инструментария функциональных резервов организма нами проведен анализ содержания более 90 изобретений, полезных моделей и программ ЭВМ, представленных на официальном сайте федерального института промышленной собственности за период 2005–2019 гг. Все инновационные (оригинальные) подходы к оценке функциональных резервов организма можно условно разделить на четыре группы.

Первая группа способов и технологий реализована на прямом измерении показателей функциональных систем организма в состоянии относительного покоя . В основе таких изобретений представлен результат многофакторного или регрессионного анализа с вычислением показателя (индекса), характеризующего функциональные резервы организма [12, 48].

Во второй группе способов и технологий для определения резервных возможностей обследуемому предъявляется функциональная нагрузка (проба) . Целевая область подобных инноваций – спортивная медицина, в которой объединяются технологии, отражающие динамические характеристики исследуемых показателей с последующей оценкой реакции на специфическую нагрузку, реализованную, как правило, при использовании технических устройств или методических приемов [20, 21].

Третья группа способов отражает оценку резервов отдельных органов функциональных систем и находит свое применение в области функциональной диагностики определенной отрасли медицинской науки. Целевой аудиторией обследованных являются индивидуумы с нарушениями функций вследствие развития у них патологического процесса. Интерпретация результатов иммунофермент-ного, биохимического анализов позволяет оценить, например, функциональный резерв миокардиального кровотока [40].

Четвертая группа технологий диагностики функциональных резервов организма отражает различного рода аналитические системы конфигурации комплекса показателей кардиореспираторной системы, физической работоспособности с последующим их шкалированием, интеграцией и сопоставлением с половозрастной нормой. В данной группе технологий особенную часть представляют способы определения параметров функционального состояния ЦНС. В качестве критериальных показателей используются оценка возбудимости, уравновешенности, силы и лабильность нервных процессов, а также степень проявления психомоторных способностей [30, 34]. Такие способы позволяют повы- сить точность оценки соответствия индивидуально-типологических особенностей индивидуума психофизиологическим требованиям спортивной деятельности. Среди способов оценивания функциональных резервов организма выделяют группу исследований, результаты которых позволяют выявлять предрасположенность к эффективной спортивной деятельности на основе молекулярно-генетического тестирования [1, 26].

Варианты скрининг-оценки уровня психофизиологического и соматического здоровья для определения функциональных и адаптивных резервов организма характеризуются применением полифункциональных датчиков [51, 58], объединенных в аппаратно-программные комплексы [52]. Такого рода комплексы предназначены для диагностики функционального состояния спортсмена при проведении этапного, текущего и оперативного контроля (во время тренировки). Программы оценивают состояние сердечно-сосудистой системы, центральной нервной системы, психоэмоциональный статус и уровень функциональной подготовленности спортсмена. Вычисленные оценки используют для коррекции тренировочных нагрузок и прогноза здоровья спортсмена. Вычисляют также интегральную оценку функциональных резервов организма по специальному нелинейному алгоритму с выявлением «слабого звена» [2].

Применительно к спортивной деятельности современные программные продукты (например, Диамед-Спорт) позволяют дать объективную оценку соматического, психоэмоционального, психосоматического состояния, а также функциональным и адаптационным резервам спортсменов [29].

Последние отечественные технические разработки позволяют проводить регистрацию показателей функциональной готовности (не резервов) в режиме «здесь и сейчас». Так, например, для определения времени инерционности зрительной системы человека применяется аппаратно-программный комплекс (шлем, очки или линзы), формирующий дополненную реальность . Современные аппаратно-программные комплексы реализуют видеоконтроль действий человека и визуализируют контент на поле его действий в реальном времени [18, 44].

Виртуальная реальность (VR) в определенных условиях может быть использована в качестве замещающей технологии, позволяю- щей оперативно оценить физиологическое и психологическое состояния человека, пребывающего в условиях иммерсивной среды, воссоздающей реалистичные ситуации [49, 61]. Разрабатываются аппаратно-программные комплексы, объединяющие в единой среде технологии биоуправления и виртуальной реальности для решения задачи оптимизации психофизиологических состояний спортсменов [37].

Широкое применение мобильных приложений для смартфонов позволяет управлять основными режимными моментами подготовки спортсмена – осуществлять цифровой мониторинг [60]. Носимые датчики дают возможность неинвазивного и непрерывного мониторинга биомаркеров из слюны или потовой жидкости [57, 62], дистанционного мониторинга сердечно-сосудистой пульсовой волны [47] и системы внешнего дыхания спортсменов [56].

Сотрудниками Института спорта, туризма и сервиса (ИСТиС) – образовательно-научного структурного подразделения Южно-Уральского государственного университета (Национального исследовательского университета) – предложена модель цифрового сопровождения спортивной деятельности, в основе которой – интеграция инновационных цифровых технологий в единую систему «Цифровой ИСТиС».

Так, например, в рамках инструментальной цифровой платформы разработан и реализован способ комплексной оценки функционального состояния и уровня функциональной подготовленности хоккеистов. Ресурсы инфраструктурной цифровой платформы (аналитические системы обработки big data) позволяют данные обследования трансформировать в результаты исследования, на основании которых возможно принятие управленческих решений как на уровне тренерского состава, спортивного врача и психолога, так и на уровне менеджера команды. В рамках прикладной цифровой платформы модель медико-биологического сопровождения юных хоккеистов может быть экстраполирована на систему подготовки спортсменов – учащихся детско-юношеских спортивных школ Олимпийского резерва различных спортивных специализаций. В основе деятельности цифровых платформ лежит единый подход к оценке интегральной реактивности организма спортсменов с использованием инновационных разработок научно-исследовательского центра спортивной науки ИСТиС.

С помощью технологии анализа big data и машинного обучения выявлены скрытые закономерности влияния постурального баланса на изменение электрокардиографических показателей единоборцев. В результате создана математическая модель Random Forest для прогнозирования возможных изменений электрической активности сердца.

Результаты биомеханического тестирования нейромышечной регуляции на BIODEX SYSTEM 4PRO юношей-тяжелоатлетов высокой спортивной квалификации позволили совершенствовать технику выполнения соревновательных упражнений за счет оперативной коррекции статокинетической устойчивости, направленности рекрутирования мышц, оптимизации режимов расслабления и напряжения.

Интеграция целого ряда инновационных цифровых технологий в общую цифровую систему «интернет вещей» (IoT) обеспечила возможность сотрудникам НИЦ спортивной науки ИСТиС1 создать действующий концепт – «цифровой двойник спортсмена».

В основе интегральной оперативной оценки резервов организма лежит online-мониторинг состояния функциональных систем тренирующегося спортсмена. Данные, поступающие от датчиков бесконтактной регистрации ЭКГ, от системы нательных датчиков Xsens с инерционной системой захвата движений, а также тепловизора BALTECH TR-01200, на основе многоуровневой нейронной сети формируют цифровую кинематическую 3D-модель техники движения.

Представленные результаты дают основание сделать предварительное заключение о том, что цифровой контроль комплекса параметров – техники движений, восстановительных мероприятий, режимных моментов (питание, сон) – позволяет индивидуализировать программу тренировочного процесса спортсменов, а также решить ряд задач профилактической и спортивной медицины.

За последние пять лет в литературе акцентируется внимание на обязательном включении данных о психофизиологическом состоянии и психодиагностики в общую про- грамму мониторинга динамики физической работоспособности и физиологических реакций спортсменов [50, 55]. Тесная взаимосвязь между физиологическим и психологическим состояниями элитных пловцов в предсоревно-вательный период была выявлена [53] с помощью опросника RESTQ-36-R-Sport.

Однако современный инструментарий психологической диагностики функциональных резервов спортсменов отличается консервативностью подходов к оценке реактивности личности и часто сводится к интерпретации субъективных параметров – самооценок состояний [31, 45]. Следовательно, включение объективных инструментальных методов оценки психофизиологического состояния спортсмена на всех этапах его подготовки к соревновательной деятельности будет обеспечивать профилактику профессионального выгорания и включение своевременных коррекционных мероприятий по снятию эмоциональной неустойчивости. Это одна из актуальных задач спортивной физиологии и психологии.

Критерии оперативной диагностики функциональных резервов и оценки готовности спортсменов. В современной спортивной физиологии и медицине оперативной диагностики функциональных резервов и оценки готовности спортсменов разрабатываются как универсальные критерии оценивания, так и специальные, характерные для конкретных видов спорта.

Согласно классификации [24], резервные возможности организма спортсменов могут проявляться в изменениях интенсивности и скорости: энергетических и пластических процессов обмена на клеточном и тканевом уровнях; физиологических процессов на уровне органов, систем и организма в целом; в увеличении физических и повышении психических качеств; в способности к выработке новых и совершенствованию приобретенных навыков. На основе такой характеристики функциональные резервы могут быть подразделены:

• -    на биохимические, связанные с экономичностью и интенсивностью энергетического и пластического обменов и их регуляций;

• -    физиологические, связанные с интенсивностью, экономичностью и длительностью работы органов и систем органов и их нейро-гуморальной регуляцией, что находит свое выражение в работоспособности организма;

• -    спортивно-технические, связанные со способностью к совершенствованию имеющихся и выработанных навыков двигательных и тактических навыков;

• -    психологические, связанные с готовностью к соревнованию, со способностью превозмочь утомление и неприятные, даже болевые ощущения, с готовностью пойти на риск ради достижения осознанной цели.

В литературе предлагаются разнообразные маркеры оценки биохимических резервов [4, 5, 9, 38]; физиологических резервов [15, 32, 54]; психологических и психофизиологических резервов [16].

Исследуются изменения внутри- и межсистемных связей между функциональными, психофизиологическими и биохимическими процессами в организме спортсменов в ходе спортивной деятельности [17] или после стимуляции различной модуляции [10]. Предлагаются новые подходы и критерии оценки функционального резерва и готовности спортсменов к соревновательной нагрузке [21, 22, 28].

Практическую значимость приобретают результаты исследований, характеризующих проявление идентичных особенностей функциональных состояний у представителей различных профессий, например, у военнослужащих, квалифицированных нейрохирургов и элитных спортсменов. Общими навыками являются: сосредоточенное внимание, контроль над своими эмоциями и реакцией на стресс, особенности визуально-пространственной обработки информации и проявления антиципации. Профессиональная деятельность указанных специалистов осуществляется с обязательным использованием функциональных резервов организма [14, 59].

На основе анализа представленной совокупности критериев оперативной диагностики функциональных резервов организма спортсменов и результатов исследований, проведенных на базе НИЦ ИСТиС ЮУрГУ, авторами предлагается концептуальная модель многомерного анализа динамической структуры мобилизуемых резервов организма, отражающая формирование функциональной готовности спортсмена (см. рисунок).

Предлагаемая модель-схема принципиальная и рассчитана на условия применения цифровых дистанционных технологий оперативной оценки функциональных резервов

Эрлих В.В., Шибкова Д.З., Байгужин П.А.

и готовности спортсмена к эффективной соревновательной деятельности. Схема отражает динамическое развертывание мобилизации функциональных резервов с последующим формированием состояния готовности спортсмена к соревновательной деятельности. Процесс мобилизации рассматривается нами как временной континуум. Мобилизация системы функциональных резервов позволяет определить направленность срочных адаптивнокомпенсаторных сдвигов: конструктивных с точки зрения полезного результата (достижение состояния готовности) или деструктивных, направленных в зону «динамического рассогласования».

Применение современных цифровых технологий обеспечивает оперативность оценки текущего функционального состояния спортсмена в условиях выполнения соревновательной нагрузки. Оперативная оценка функциональных резервов и готовности нацелена на выявление интенсивности и направленности активации исполнительных систем обеспечения экстремальной деятельности, что выражается в характере перестройки внутри- и межсистемных связей между «исходным» и «экстремальным» состояниями.

Качество мобилизации определяется многомерностью изменения корреляционных связей между показателями мобилизуемых функциональных резервов (модулей). Показатели модулей резервов обладают следующими качествами : информативность, не-специфичность, чувствительность и прогно-стичность.

При этом качество всего мобилизационного процесса определяется рядом факторов: полом, возрастом, спортивными специализацией и квалификацией, исходными вегетоти-пом и психотипом спортсмена.

Подход к анализу и интерпретации данных с позиций нелинейности процессов регуляции [23], теории хаоса и синергетики [27, 43], а также применение алгоритмов на основе цифровой технологии big data позволят выявить скрытые закономерности развития деструктивных изменений в организме спортсмена и своевременно принимать целевые корригирующие меры.

Заключение. Развитие спорта с его экстремальными нагрузками функционального и психофизиологического характера обусловливает востребованность новых подходов к диагностике резервов и оценке подготовлен- ности спортсменов к соревновательной деятельности на основе цифровых технологий.

Аналитический обзор тематической литературы позволяет констатировать, что в настоящее время разработаны и внедрены сотни технологий оценки функционального состояния и резервов, реализованных во множестве программно-аппаратных диагностических комплексов, большая часть которых решает частные задачи и не отражает полипарамет-рическую интеграцию подготовленности спортсмена к соревновательной деятельности.

Обеспечение функциональной готовности спортсмена к соревновательной деятельности выходит за рамки компетентности одной науки и требует мультидисциплинарного подхода. Последний определяет перспективность направлений исследования в области оперативной оценки функционального состояния, мобилизации резервов и готовности организма спортсменов к эффективной соревновательной деятельности.

Совокупность технологий оперативной диагностики функциональных резервов организма спортсменов и их цифровизация (НИЦ ИСТиС ЮУрГУ) легли в основу концептуальной модели многомерного анализа динамической структуры мобилизуемых резервов организма, определяющих готовность спортсмена к соревновательной деятельности.