Оценка готовности к нагрузке на основании анализа данных вариабельности сердечного ритма

Эмоциональное напряжение, возникающее у студентов до экзаменов, постепенно растет по мере приближения сессии, что приводит к изменению их работоспособности во время самого экзамена, нарушению концентрации внимания, способствует изменению когнитивной деятельности и работоспособно- сти в целом, создаются предпосылки к снижению вероятности достижения желаемого результата [10–12].

Состояние стресса может быть оценено по состоянию вегетативной нервной системы (ВНС) [1, 6, 11, 14, 16]. Изменения в функционировании ВНС у обучающихся во время сессии отражают состояние регуляторных механизмов сердечного ритма [7]. В исследованиях П.Л. Стукалова (2004) показано, что 59 % студентов осуществляют свою деятельность в условиях хронического психоэмоционального стресса, а 27 % – входят в группу риска [9].

Остаются малоизученными вопросы выделения в предсессионный период студентов, которые в силу усугубления стресса во время самой сессии имеют риск получения неудовлетворительного результата. Своевременное выявление обучающихся группы риска позволит применить методы коррекции психоэмоционального состояния, направленные на уменьшение стресса, улучшить результаты сессии и повысить мотивацию к обучению.

Цель исследования. Определить готовность обучающихся спортивных вузов к выполнению нагрузок на основе анализа данных вариабельности сердечного ритма.

Материалы и методы. Проведено экспериментальное исследование с участием 193 юношей, обучающихся в Сибирском государственном университете физической культуры и спорта, в возрасте от 19 до 21 года. Для определения готовности обучающихся к выполнению нагрузок за 1 месяц до начала летней сессии проведен эксперимент, заключающийся в том, что обучающиеся выполняли интеллектуальную нагрузку в течение 5 минут, во время которой осуществлялась регистрация частоты сердечных сокращений (ЧСС) и запись интервалов R-R с помощью пульсометра Polar V800. Испытуемым предлагалось решить задачу «Расчет коэффициентов линейной регрессии между весом и ростом». Данная нагрузка является типовой для дисциплин 2-го курса спортивного вуза и аналогична заданиям, используемым во время экзаменационной сессии.

У каждого испытуемого также проведена антропометрия с измерением роста, веса, расчета индекса массы тела (ИМТ) по Кетле, артериального давления (АД), ЧСС и частоты дыхательных движений (ЧДД) в покое.

Расчеты проводились в программах Statis-tica 6.0 и MATLAB 2009.

Все массивы полученных данных отредактированы от артефактов с применением методов когнитивного и экспертного анализа. Из расчета исключались испытуемые, у которых запись R-R-интервалов имела более 30 % артефактов. В данном случае из 193 испытуемых данному критерию соответствовало 3 человека.

В исследовании анализировались следующие показатели ВСР: М, Мо, АМо, ИН, SDNN, CV, RMSSD, VR, ИВР, ВПР, HF, LF, VLF, LF/HF, TP, индекс централизации – рассчитываемые по алгоритмам, приведенным в источнике [3]. Функциональный класс (ФК) испытуемого определялся с применением метода, разработанного В.А. Машиным [4, 5].

Успеваемость испытуемых оценивалась на основании трех показателей: 1) отметка за выполненное во время эксперимента задание; 2) средний балл за предшествующий третий семестр обучения; 3) средний балл за сессию после проведенного эксперимента. Для оценки успеваемости использована традиционная для России пятибалльная шкала.

Оценка массива данных на нормальность распределения проводилась с использованием критерия Шапиро – Уилка. Поскольку данные имеют распределение, отличное от нормального, это определило в дальнейшем применение методов непараметрической статистики с указанием медианы, верхнего и нижнего квартилей. Для сравнения несвязанных данных использован Mann – Whitney U-Test, для оценки связи между переменными – Kendall Tau Correlations.

Результаты исследования. Клиническая характеристика испытуемых представлена в табл. 1.

Характеристика испытуемых в покое (Me (25; 75)) (n = 193)

Clinical characteristics of subjects at rest (Me (25; 75)) (n = 193)

Таблица 1

Table 1

Клинические параметры Clinical characteristics	Общая группа General group (n = 193)
Возраст, лет / Age, years	20 (19; 20)
Индекс массы тела, кг/м2 / Body mass index, kg/m2	23 (21; 24)
Систолическое артериальное давление в покое, мм рт. ст. Systolic blood pressure at rest, mmHg	119 (115; 124)
Диастолическое артериальное давление в покое, мм рт. ст. Diastolic blood pressure at rest, mmHg	84 (82; 87)
Частота сердечных сокращений в покое, уд./мин / Heart rate at rest, beats/min	64 (60; 67)
Частота дыхательных движений в покое, в мин / Respiratory rate at rest, times per min	15 (13; 17)

Как видно из табл. 1, антропометрические данные, показатели АД, ЧСС и ЧДД у всех испытуемых были в пределах нормальных значений, что исключает влияние данных показателей на вариабельность сердечного ритма (ВСР) и отражает состояние покоя системы дыхания (газообмена) и гемодинамики перед проведением эксперимента.

Результаты исследования временных показателей ВСР представлены в табл. 2.

Для анализа временных показателей ВСР проводилось их сопоставление с показателями нормы [4]. Из всех представленных показателей ВСР наиболее информативным является показатель ИВР, который отражает соотношение между активностью симпатического и парасимпатического отделов ВНС. В данном случае у обучающихся во время выполнения интеллектуальной нагрузки выявлено два вида состояний: незначительное преобладание парасимпатического отдела, расслабление имело место у 64,7 % (123 испытуемых), а у 35,3 % (67 испытуемых) - вегетативный баланс находился в равновесии .

То есть временные показатели ВСР подтверждают оптимальность используемого авторами для эксперимента вида нагрузок.

Результаты исследования частотных показателей ВСР представлены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, во время выполнения задания общая мощность спектра была выше нормы, что свидетельствует об улучшении вегетативного обеспечения, наступающего при выполнении интеллектуальной нагрузки.

В ходе исследования установлено, что среди испытуемых преобладали лица с ФК 3 (эмоциональное возбуждение, 30 %), ФК 4 (эмоциональное возбуждение с преобладанием симпатической активности, 26 %) и ФК 1 (норма, 21 %). Лиц, имеющих психическое напряжение (ФК 5), было 18 %. Самая малочисленная группа представлена лицами с ФК 2 (норма с преобладанием симпатической активности, 5 %). Испытуемых с ФК 6–8 в исследовании не выявлено.

Для оценки взаимосвязи между функциональным состоянием и успеваемостью обучающихся проведен анализ данных – «отметка

Таблица 2

Table 2

Результаты исследования временных показателей вариабельности сердечного ритма Time domain measurements of heart rate variability

Временные показатели ВСР (Me (25; 75)) Time domain measurements (Me (25; 75))	Общая группа (n = 190) General group (n = 190)
М, мс / M, ms	798,0 (721,3; 896,7)
Мо, мс / Mo, ms	817,1 (711,1; 891,7)
АМо, % / AMo, %	30,5 (25,9; 41,9)
ИН, усл. ед. / SI, conv. Units	49,2 (37,4; 104,9)
SDNN, мс / SDNN, ms	67,9 (51,6; 79,5)
CV, % / CV, %	7,8 (6,6; 9,8)
RMSSD, мс / RMSSD, ms	41,1 (30,1; 57,2)
VR, мс / VR, ms	0,369 (0,271; 0,432)
Индекс вегетативного равновесия, усл. ед. Index of autonomic balance, conv. Units	78,9 (62,0; 152,4)
Вегетативный показатель ритма, усл. ед. Autonomic index of HRV, conv. Units	3,4 (2,5; 4,8)

Таблица 3

Table 3

Результаты исследования частотных показателей вариабельности сердечного ритма (Me (25; 75)) (n = 190) Frequency indicators of heart rate variability (Me (25; 75)) (n = 190)

Частотные показатели ВСР (Me (25; 75)) Frequency indicators (Me (25; 75))	Общая группа (n = 190) General group (n = 190)
HF, % / HF, %	50,5 (37,6; 62,2)
LF, % / LF, %	46,7 (37,7; 55,6)
VLF, % / VLF, %	1,8 (0,5; 6,1)
LF/HF / LF/HF	0,9 (0,6; 1,4)
TP, мс2 / TP, ms2	1745,0 (1068,7; 2634,0)
Индекс централизации / Centralization index	55,9 (15,4; 218,0)

Таблица 4

Table 4

Данные об успеваемости испытуемых

Academic success data

Показатель (Me (25; 75)) Parameter (Me (25; 75))	Успеваемость обучающихся (n = 190) Academic success (n = 190)
	ОТМЕТКА NOTE	РЕЙТИНГ RANKING	СЕССИЯ EXAMS
Группа «норма», n = 50 “Norm” group, n = 50	3,0 (3,0; 4,0)	3,7 (3,6; 3,9)	3,6 (3,3; 4,1)
Группа «эмоциональное возбуждение», n = 106 “Excitement” group, n = 106	3,0 (3,0; 4,0)	3,8 (3,7; 4,2)	4,2 (4,1; 4,5)
Группа «психическое напряжение», n=34 “Mental stress” group, n = 34	4,0 (4,0; 4,0)	4,1 (3,9; 4,3)	4,3 (4,0; 4,4)
Mann – Whitney U-Test	р* = 0,76 р** = 0,002 р*** < 0,001	р* = 0,18 р*** < 0,001 р*** < 0,001	р* < 0,001 р*** < 0,001 р*** = 0,5

Примечание: р* – различия между группами «норма» и «эмоциональное возбуждение»; р** – различия между группами «норма» и «психическое напряжение»; р*** – различия между группами «эмоциональное возбуждение» и «психическое напряжение».

Note: p * – differences between the “norm” and “excitement” groups; p ** – differences between the “norm” and “mental stress” groups; p *** – differences between the “excitement” and “mental stress” groups.

за задание, выполняемое во время эксперимента» (далее – ОТМЕТКА), «средний балл за третий семестр» (далее – РЕЙТИНГ), «средний балл за сессию после проведения эксперимента» (далее – СЕССИЯ) – для объединенных групп: группа «норма», куда вошли испытуемые с ФК 1–2, группа «эмоциональное возбуждение», куда вошли испытуемые с ФК 3–4, группа «психическое напряжение», куда вошли испытуемые с ФК 5. Между указанными группами установлены статистически значимые различия по успеваемости (Median Test, p = 0,0000), результаты которой приведены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, в группе «эмоциональное возбуждение» и «психическое напряжение» результаты сессии были статистически значимо лучше, чем в группе «норма», при этом в группах «эмоциональное возбуждение» и «психическое напряжение» результаты сессии были идентичными. Следовательно, результаты сессии у испытуемых ФК 1–2 хуже, чем у испытуемых ФК 3–5.

При анализе взаимосвязи между показателями успеваемости установлено, что между показателями ОТМЕТКА и РЕЙТИНГ имеется средней силы положительная статистически значимая связь (Kendall Tau Correlations, r = 0,64, р < 0,001), т. е. при более высоком среднем балле за семестр будет более высокая отметка за задание в рамках учебного процесса. Между показателями успеваемости

ОТМЕТКА и РЕЙТИНГ имеется слабая статистически значимая связь с показателем СЕССИЯ (Kendall Tau Correlations, r = 0,25, р < 0,05; r = 0,29, р < 0,05 соответственно). При этом между показателем СЕССИЯ и ФК установлена статистически значимая связь средней силы (Kendall Tau Correlations, r = 0,66, р < 0,001).

Обсуждение. При анализе показателей ВСР, полученных в ходе эксперимента, выявлено, что улучшение вегетативного обеспечения во время нагрузки отражает адаптивную реакцию ВНС. Установлено, что среди испытуемых при выполнении интеллектуальной нагрузки преобладали лица с физиологической реакцией на нагрузку – эмоциональное возбуждение (ФК 3–4 – 56 %) и психическое напряжение (ФК 5 – 18 %), что типично для воздействия когнитивного компонента психической нагрузки [7]. У 27 % испытуемых зарегистрирован ФК 1–2, что соответствует расслаблению и отсутствию физиологической вегетативной реакции на нагрузку. Данная реакция на интеллектуальную нагрузку позволяет предположить, что испытуемым с ФК 1–2 можно давать более сложные задания, чем предложенные. Однако предположение о том, что сложность заданий, предлагаемых для решения, необходимо выбирать в зависимости от ФК, требует подтверждения в других экспериментах и открывает перспективы для дальнейших исследований. Отсутствие среди ботки здоровьесберегающих технологий обучения.