Исследование уровня тренированности организма спортсменов на диагностическом комплексе АПДК

Система подготовки спортсменов высокой квалификации представляет собой сложный и длительный процесс. В современных условиях, в связи с усилившейся конкуренцией на мировой арене, необходим поиск новых, наиболее эффективных средств и методов подготовки борцов вольного стиля.

Состояние организма человека, являющегося динамической системой, характеризуется наличием относительной уравновешенности реакций организма со средой и одновременным поддержанием гомеостаза внутри живой системы. Приспособление, или адаптация к новым условиям, достигается путем затраты функциональных ресурсов организма и зависит от силы воздействующего фактора, возраста, функционального состояния и адаптационных возможностей организма человека.

Функциональное состояние и адаптационные возможности тесно связаны с уровнем тренированности организма. В оценке уровня тренированности большой интерес представляют исследования пульсовых колебаний, поскольку пульс в организме человека является интегральным процессом, отражающим состояние многих органов и функциональных систем. Форма артериального пульса зависит от силы и скорости сердечных сокращений, ударного объема крови и артериального давления, эластичности и тонуса стенок артерии и т.д. Исследование пульса с запястья обеих рук человека используется в восточной медицине для диагностики функционального состояния внутренних органов [1].

Целью работы является разработка критериев оценки уровня тренированности организма на основе спектрального анализа пульсовых сигналов.

Методика

В исследовании принимали участие 2 группы людей: 1-я группа -11 борцов вольного стиля в возрасте 20-25 лет, 2-я группа -30 практически здоровых людей в возрасте 20-25 лет, не занимающихся спортом. Все спортсмены - мастера спорта России. Исследования проводились с помощью автоматизированного пульсодиагностического комплекса, позволяющего регистрировать пульсовой сигнал с запястья обеих рук человека [1]. Частота дискретизации пульсовой волны составляла 200 Гц, длина реализаций -100 с.

Одним из основных методов обработки и анализа пульсовых сигналов x(t) является спектральный анализ с использованием быстрого преобразования Фурье [2]:

X(f) = ^(Oe^di (1)

Пульсовая волна относится к квазипериоди-ческому процессу, частотный состав и основные показатели которого зависят от времени и могут изменяться в пределах временного интервала наблюдения. Поэтому для более детального изучения спектральных составляющих пульсового сигнала использован метод вейвлет-анализа [3], который в последнее время активно используется для исследования нестационарных сигналов. Спектр вейвлет-преобразования одномерного сигнала представляет собой некоторую поверхность в трехмерном пространстве, способы визуализации которой могут быть различны. Для анализа частотно-временного состава исследуемого сигнала используется проекция значений поверхности на плоскость частота - время, позволяющая проанализировать изменение интенсивности амплитуд вейвлет-преобразования на различных частотных масштабах и во времени.

Среди многих вейвлетов выбран вейвлет Морле, который характеризуется наилучшим спектральным разрешением [3] и представляет собой плоскую волну, промодулированную гауссианом единичной ширины:

-t

= ехр(./2я£оОехр(—)

чд/^еслехрс u 2 °; )

где к_п - параметр, 0(f) - функция Хевисайда.

Результаты

На рис. 1а и 2а представлены типичные пульсограммы спортсмена и человека, не занимающегося спортом. На рис. 16 и 26 соответственно их амплитудные спектры:

Рис. 2а. Пульсограмма человека, не занимающегося спортом

Рис. 1а. Пульсограмма спортсмена

Рис. 16. Амплитудный спектр пульсограммы спортсмена

Рис. 26. Амплитудный спектр пульсограммы человека, не занимающегося спортом

Из рисунков 1а и 2а видно, что пульсограммы спортсмена и человека, не занимающегося спортом, по форме существенно не различаются. Амплитудные же спектры имеют существенные различия. По мере увеличения частоты амплитуда гармоник спектра уменьшается, так что основная мощность пульсового сигнала (90%) лежит в полосе частот от 0,6 Гц до 20 Гц. Поскольку пульсовой сигнал имеет квазипериоди-ческий характер, то спектр пульсового сигнала представляет собой набор гармоник, кратных основной частоте, задаваемой ритмом сердца, и практически равноотстоящих друг от друга, что и наблюдается на рис. 16 и 26. Формы спектров (рис. 16 и 26) пульсовых сигналов спортсменов и людей, не занимающихся физической культурой и спортом, существенно отличаются друг от друга. Различие состоит в том, что в первом случае на спектре пульсового сигнала спортсмена (рис. 16) наблюдается уширение спектральных составляющих сигнала и их большая вариа ция.

Поскольку частотный состав и основные показатели пульсового сигнала зависят от времени и изменяются в пределах временного интервала наблюдения, необходимо использовать такой математический аппарат, который позволял бы наблюдать не "среднее" значение параметров сигнала во времени, а их изменение во времени и при необходимости исследовать структуру сигналов по локализации исследуемых параметров. Использование вейвлет-преобразований для анализа пульсовых сигналов открывает новые возможности в детальном анализе частотной и временной структуры пульсовой волны. На рис. 3 представлены типичные двумерные вейвлет-спектрограммы пульсового сигнала спортсмена и человека, не занимающегося спортом. Анализируя данные графики, можно выделить частоты, преобладающие в сигнале в каждый определенный момент времени.

16 1

о л

5         10         15 Л 25

id 16 а

'.Гц

Рис. За. Вейвлет-спектрограмма и усредненный спектр спортсмена

Рис. 36. Вейвлет-спектрограмма и усредненный спектр человека, не занимающегося спортом

На вейвлет-спектрограммах по оси абсцисс -время в сек., по оси ординат -псевдочастоты в Гц. Белые области - области с высокой амплитудой, черные - с низкой. Постоянство расстояний между линиями экстремумов и их параллельность свидетельствуют, что составляющие сигнала - гармонические колебания разных частот. На рис. 3 в районе 1 Гц отчетливо видны чередования белых и черных областей, положение которых соответствует максимумам и минимумам, что указывает на периодический характер сигнала, а их пространственное распределение показывает специфику сигнала. У спортсменов и лиц, не занимающихся физической культурой и спортом, структура вейвлет-спектров сигналов существенно различается, что говорит о том, что изменяется частотный состав пульсовых волн, особенно в полосе частот 0,15 Гц до 0,7 Гц.

Проведены численные расчеты, в которых были рассмотрены такие характеристики спектрального анализа как значения амплитуд различных гармоник и их взаимных соотношений, соотношение мощностей в различных частотных диапазонах, спектральный край, ширина основной гармоники спектра и т.д. Обработка и анализ значительного экспериментального материала позволили сделать вывод о том, что наиболее информативными для оценки уровня тренированности организма являются следующие параметры: ширина основной гармоники спектра, спектральный край и соотношение мощностей в диапазонах (0,6-8) Гц и (8-30) Гц. В таблице 1 представлены средние значения некоторых характеристик спектрального анализа пульсовых сигналов для спортсменов и для лиц, не занимающихся физической культурой и спортом:

Таблица 1

	Мощность сигнала в диапазоне, мВ2			Ширина основной	Спектральный край, Гц	Отношение мощностей
	(0,15-0,6)Гц	(0,6-8)Гц	(8-15)Гц	гармоники, %		(0,6-8)Гц/(8-30)Гц
Спортсмены	7	77	10	17	13±1	57
Не спортсмены	6	78	9	10	14,5±3,5	67

Из проведенных исследований и таблицы 1 следует, что на частотном спектре пульсового сигнала спортсмена наблюдается уширение спектральных составляющих в 1,5-2 раза.

Это свидетельствует о значительной вариабельности спектральных составляющих в пульсовых сигналах тренированных людей. Другим вариабельным параметром, характеризующим уровень тренированности организма на основе спектрального анализа, является отношение средних мощностей в частотных диапазонах 0,68 Гц и 8-30 Гц.

Таким образом, из приведенных исследований следует, что основными параметрами пульсовых сигналов, характеризующих уровень тренированности организма, являются ширина ос- новнои гармоники спектра пульсового сигнала и отношение средних мощностей в диапазонах 0,6-8 Гц и 8-30 Гц.

Выводы

Исследование пульсовых сигналов с помощью спектрального анализа с использованием Фурье-преобразования и вейвлет-преобразования позволяет более детально исследовать структуру пульсового сигнала. Ре зультаты исследовании показали, что у спортсменов наблюдается уширение спектральных составляющих сигнала и их большая вариация. Проведенные численные расчеты показали, что наиболее информативными для оценки уровня тренированности организма человека являются ширина основной гармоники спектра и отношение мощностей в различных частотных диапазонах.