Метод анализа функциональных возможностей спортсменов по непрерывно регистрируемой ЭКГ при вариациях нагрузки

Введение. Электрокардиография (ЭКГ) -это, безусловно, самая распространенная технология физиологического обследования человека.

ЭКГ достаточно просто регистрируется с очень высокой точностью (до 1 мкВ).

Параллели между сердечно-сосудистой системой (ССС) человека и системами автоматического управления (САУ) сформулированы несколько десятилетий назад многими исследователями [1]. Одно из главных направлений биокибернетики - ритмокардио-графия (РКГ), основной характеристикой функционирования ССС и организма в целом считает частоту сердечных сокращений (ЧСС).

Относительно этой функции «выстраиваются» модели и алгоритмы их функционирования.

Такое представление приводит к некоторым проблемам. Как представляется, главные из них можно сформулировать следующим образом:

• •    системы автоматического управления «на несущей частоте» чаще всего относятся к нелинейным нестационарным системам, т. е. к таким, характеристики которых существенно зависят от внешних условий и самой этой «несущей» частоты;

• •    для таких систем должны существовать оптимальные состояния [3], но не универсальные, а оптимизирующие систему для кон-

• кретных условий, под конкретную задачу, т. е. соответствующие конкретному критерию оптимальности.

Перевод этих проблем на язык физиологии означает: ССС человека в состоянии покоя и при нагрузках – это разные динамические системы (особенно, если эти нагрузки предельно возможные, как в спорте).

Материалы и методы. По определению, предложенному Э.Г. Волковой и соавторами [2, 6], САЖ определяется как отношение максимальной производной ЭКГ (скоростной ЭКГ) к значению ЭКГ в момент времени, соответствующий этой максимальной производной (рис. 1).

диаграммы функционального состояния ССС человека [3].

Для обеспечения непрерывной регистрации ЭКГ в ИСТиС ЮУрГУ были созданы несколько вариантов программно-аппаратных комплексов регистрации ЭКГ без прямого контакта с кожей спортсменов [3–5]. Наиболее соответствует поставленным задачам «ЭКГ-футболка» с 4 псевдоэлектродами из токопроводящей ткани, которые вшиты в ткань и не оказывают никакого влияния на поведение и самочувствие спортсменов. Сигналы ЭКГ регистрируются высокоточным регистратором (разрешающая способность – 1 мкВ) и передаются в компьютер для расчетов ЧСС и анализа.

Рис. 1. ЭКГ и скоростная ЭКГ (интервал R –зубца) для определения САЖ и САЖ* Fig. 1. ECG and speed ECG (R-interval) for SVA and SVA*

SAV *

Rm

R(R m )

Авторы метода САЖ, работая с сигналами ЭКГ с обычных электрокардиографов, с обычными масштабами, зафиксировать мо- мент времени, соответствующий максимальной производной, и величину ЭКГ в этот момент не могли, поэтому они вычисляли САЖ как отношение максимального значения производной к максимальному значению ЭКГ (R-зубца).

SAV = —.

R m

По отношению к этому параметру они разрабатывали методики исследований, регистрации, классификации по отношению к этому параметру, изучали закономерности и статистику [2, 6].

Оказалось, что для ССС, как нелинейной САУ, важными могут быть оба параметра. Синхронизированные с ЭКГ и ЧСС САЖ и САЖ* могут быть базой для многоканальной

Испытуемый спортсмен поддерживал скорость вращения педалей велоэргометра в пределах 60–70 об/мин. При этом нагрузка увеличивалась на 25 Вт через каждую минуту от 0 до 250 Вт.

На рис. 2–5 приведены синхронные записи ЭКГ, ритма ЧСС, САЖ и САЖ* за несколько интервалов эксперимента.

Результаты исследования. Самый важный результат эксперимента – это синхронные изменения САЖ* и ЧСС.

При возрастании нагрузки растет ЧСС и растет САЖ* (см. рис. 2).

При сбросе нагрузки снижается ЧСС и снижается САЖ* (см. рис. 3).

Таким образом, расчет САЖ и САЖ* может не только идентифицировать функциональное состояние миокарда, но и объяснить структуру и алгоритм функционирования ССС под нагрузкой. Учитывая, что ЧСС и САЖ* имеют совершенно разные базы для расчетов – для ЧСС – это положение R-зубцов

Рис. 2. Возрастание ЧСС Fig. 2. HR increase

Рис. 3. Снижение ЧСС Fig. 3. HR decrease

ЭКГ, а для САЖ* – их форма, следует предположить их фундаментальную взаимозависимость в алгоритме функционирования ССС, по крайней мере, у какой-либо группы людей.

Для того чтобы была возможность изучить механизм компенсации нагрузок у разных групп были проведены обследования спортсменов с различной физиологической направленностью «стайера» (первый испытуемый) и «спринтера» (второй испытуемый).

Эксперименты спортсменов с комплексом непрерывной регистрации ЭКГ показали следующее:

– У первого испытуемого во время работы под нагрузкой диаграммы САЖ и САЖ* имеют принципиально различный характер (см. рис. 2, 3).

–У второго испытуемого под нагрузкой эти параметры изменяются одинаково бессистемно, с одинаковыми (близкими) параметрами (см. рис. 4, 5).

– У « первого » САЖ* изменяется синхронно с изменением ЧСС, т. е. возрастает при возрастании и снижается при снижении. Без нагрузки САЖ и САЖ* близки по значениям.

Обсуждение. Можно предположить, что при отработке нагрузки у первого испытуемого работают два механизма – возрастает ЧСС и возрастает эффективность каждого кардиокомплекса, которую показывает САЖ*, т. е. сердце подает кровь чаще и сильнее, следовательно, САЖ* первого испытуемого отражает такой параметр, как ударный объем крови (УОК). Это обеспечивает ему возможность компенсировать нагрузку при ЧСС на уровне 130 уд./мин. У второго испытуемого при той же нагрузке уровень ЧСС доходит до 170 уд./мин, а САЖ и САЖ* изменяются бессистемно, в больших пределах, чем у «первого», короткие тренды монотонности САЖ* показывают, что компенсация нагрузки происходит «рывками». Отсюда следует, что первый испытуемый имеет

Рис. 4. Эксперимент со вторым испытуемым, ЧСС и САЖ* стабильны Fig. 4. Experiment with the second participant, HR and SVA * are stable

Рис. 5. Эксперимент со вторым испытуемым, ЧСС и САЖ* стабильны Fig. 5. Experiment with the second participant, HR and SVA * are stable

значительно лучшие возможности по компенсации длительной нагрузки.

Гипотезы

• 1.    Подобные результаты позволяют предложить гипотезу о существовании оптимальной ЧСС для каждого человека, которая будет связана с его САЖ, а также о том, что под нагрузкой организм должен изменять не только ЧСС, но и САЖ*.

• 2.    Сравнения результатов экспериментов и их анализ позволил предположить возможную структуру ССС, содержащую «элемент» умножения функционала ЧСС и функционала УОК. Если эти структуры монотонны и сравнимы по быстродействию, то компенсация нагрузок происходит плавно пропорционально и не требует большого ЧСС или УОК. Если же контуры настроены с колебательностью, то согласованности нет и нагрузка компенсируется ЧСС, а САЖ и САЖ* не дают скоор-

• динированной работы, ЧСС вырастает до 180, тогда по параметрам вариаций ЧСС и САЖ*, САЖ можно оценивать работу САУ ССС и ее потенциальные возможности, а не только по вариациям ЧСС.

Выводы

• 1.    Проведённые эксперименты и их анализ показали, что ССС человека может быть близка к нелинейным системам автоматического управления, в частности к системам «на несущей частоте», роль которой выполняет ЧСС.

• 2.    Синхронно сформированные диаграммы ЭКГ, ЧСС и САЖ* позволяют предположить структуру компенсации ССС человека физической нагрузки.

• 3.    У групп людей, у которых одновременно с ЧСС возрастает активность миокарда, определяемая по САЖ*, значительно выше функциональные возможности по парированию нагрузок.

Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.