Исследования изменения ЧСС и АД при работе разной мощности

ВВЕДЕНИЕ



      	Исследования  в  данной области  особенно  актуальны  в  условиях  современного  развития  спорта. Проблема адаптации кровообращения к физической нагрузке вызывает особый интерес в связи с тем, что научно-техническая революция создает условия гиподинамии в рабочих процессах и в результате энергичные мышечные движения из повседневной необходимости в жизни большинства людей становятся средством профилактики и терапии многих заболеваний. Для целесообразного использования этого средства, всесторонне изучалось, и изучаются изменения кровообращения при физической нагрузке.  В свою очередь, исследование адаптации кровообращения к физической нагрузке стимулирует интерес к спортивным достижениям. Объяснение непрерывного роста рекордов и спортивного мастерства, а также рациональное управление этими процессами невозможны без точных знаний о путях развития приспособления сердечно-сосудистой системы к нагрузкам. В этой работе  предстоит определить влияние физических нагрузок разной мощности на изменение частоты сердечных сокращений и показателей артериального давления.

Задача настоящей работы — на основании проведенных исследований, а также литературных данных охарактеризовать некоторые особенности кровеносных сосудов,   развивающиеся при систематических занятиях физической культурой и спортом.































Сердечно - сосудистая система

Кровообращение - один из важнейших физиологических процессов, поддерживающих гомеостаз, обеспечивающих непрерывную доставку всем органам и клеткам организма необходимых для жизни питательных веществ и кислорода, удаление углекислого газа и других продуктов обмена, процессы иммунологической защиты и гуморальной регуляции физиологических функций. 

Частота сердечных сокращений 

У спортсменов ЧСС в покое ниже, чем у нетренированных людей, и составляет 50-55 ударов в мин. У спортсменов экстракласса (лыжники-гонщики, велогонщики, марафонцы-бегуны и др.) ЧСС составляет 30-35 ударов в минуту. Физическая нагрузка приводит к увеличению ЧСС, необходимой для обеспечения возрастания минутного объема сердца, причем существует ряд закономерностей, позволяющих использовать этот показатель как один из важнейших при проведении нагрузочных тестов.



Гемодинамика в покое и при нагрузке в зависимости от положения тела [1]







Показатели

В покое

Средняя нагрузка

Максимальная нагрузка



лежа на

спине

стоя

лежа

на спине

стоя

стоя

Минутный объем сердца, л/мин



Ударный объем сердца, мл

Частота сердечный сокращений, уд/мин

Систолическое АД, мм рт. ст.

Легочное систолическое АД, мм рт. ст.

Артериальная разница по кислороду, мл/л

Общее периферическое сопротивление, дин/с/см-5

Работа левого желудочка, кг/мин



Потребление 02, мл/мин



Гематокрит

5,6

90

60

120

20

70

1490



6,3



250



44

5,1

80

65

130

19

64

1270



7,8



280



44

19,0 164

116

165

36

92

485

29,7



1750



48

17,0

151

113 1

75

33

92

555

27,3



1850



48

26,0

145

185

215

50

150

415

47,7



3200



52



Отмечается линейная зависимость между ЧСС и интенсивностью работы в пределах 50-90% переносимости максимальных нагрузок (рис. 2). При легкой физической нагрузке ЧСС сначала значительно увеличивается, затем постепенно снижается до уровня, который сохраняется в течение всего периода стабильной работы. При более интенсивных и длительных нагрузках имеется тенденция к увеличению ЧСС, причем при максимальной работе она нарастает до предельно достижимой. ЧСС увеличивается пропорционально величине мышечной работы. Обычно при уровне нагрузки 1000 кгм/мин ЧСС достигает 160-170 уд/мин, по мере дальнейшего повышения нагрузки сердечные сокращения ускоряются более умеренно и постепенно достигают максимальной величины - 170-200 уд/мин. Дальнейшее повышение нагрузки уже не сопровождается увеличением ЧСС.



Следует отметить, что работа сердца при очень большой частоте сокращений становится менее эффективной, так как значительно сокращается время наполнения желудочков кровью и уменьшается ударный объем.

Тесты с возрастанием нагрузок и достижения максимальной частоты сердечных сокращений приводят к истощению, и на практике используются лишь в спортивной и космической медицине.

По рекомендации ВОЗ допустимыми считаются нагрузки, при которых ЧСС достигает 170 уд/мин и на этом уровне обычно останавливается при определении переносимости физических нагрузок и функционального состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Кровяное (артериальное) давление

Существует градиент давления, направленный от артерий к артериолам и капиллярам и от периферических вен к центральным (рис. 3). Кровяное давление уменьшается в следующем направлении:



Рис. 3. Среднее давление в различных областях сосудистого русла

              в состоянии покоя (I), при расширении (II) и сужении (III) сосудов.

                      В крупных венах, расположенных около сердца (полые вены), давление

                             при вдохе может быть несколько ниже атмосферного (С. Keele, T. Neil, 1971)



аорта - артериолы - капилляры - венулы - крупные вены - полые вены. Благодаря этому градиенту кровь течет от сердца к артериолам, затем к капиллярам, венулам, венам и обратно к сердцу. Колебания кровяного давления обусловлены пульсирующим характером кровотока и высокой эластичностью и растяжимостью кровеносных сосудов. В отличие от изменчивых систолического и диастолического давлений, среднее давление относительно постоянно. В большинстве случаев его можно считать равным сумме диастолического и 1/3 пульсового (Б. Фолков, Э. Нил, 1976):

	Р ср .= Р диастол. + (Р сист. – Р диастол ) / 3

Скорость распространения пульсовой волны зависит от размера и упругости сосуда. В аорте она составляет 3-5 м/с, в средних артериях (подключичной и бедренной) - 7-9 м/с, в мелких артериях конечностей - 15-40 м/с.

На рис. 4 приведены значения артериального давления у здоровых людей в возрасте от 15 до 60 лет и старше. С возрастом у мужчин систолическое и диастолическое давления растут равномерно, у женщин же зависимость давления от возраста сложнее: от 20 до 40 лет давление у них увеличивается незначительно, и величина его меньше, чем у мужчин; после 40 лет, с наступлением менопаузы, показатели давления быстро возрастают и становятся выше, чем у мужчин.





У страдающих ожирением АД выше, чем у Людей с нормальной массой тела. При физической нагрузке систолическое и диастолическое АД, сердечный выброс и частота сердечных сокращений повышаются, равно как и при ходьбе в умеренном темпе. При курении систолическое давление может возрасти на 10-20 мм рт. ст. В покое и во время сна АД существенно снижается, особенно если оно было повышенным.

Артериальное давление повышается у спортсменов перед стартом, иногда даже за несколько дней до соревнований.

На артериальное давление влияют главным образом три фактора: 

а) частота сердечных сокращений (ЧСС); 

б) изменение периферического сопротивления сосудистого русла; 

в) изменение ударного объема или сердечного выброса крови.





Изменение ЧСС при работах разной мощности.

С увеличением мощности выполняемой работы увеличивается производительность сердца. Особый интерес представляют механизмы, обеспечивающие это увеличение. Как выяснилось, у нетренированных спортсменов с различной физической подготовленностью, различного возраста особую роль в нарастании минутного объема кровообращения при мышечной работе повышающейся мощности играет систолический объем крови. Ниже приведена таблица, характеризующая зависимость    показателей кардиогемодинамики у нетренированных - 1 и тренированных - 2 подростков  13-16 лет от мощности мышечной работы (N) [1]



Показатель

Тренированность

Уровень регрессии

ЧСС уд/мин

1

0,102 N+87 (1)



2

0.08 N+86 (2)

Систолических объем крови, мл

1

0.035 N+60.5 (3)



2

0.04 N+65.5 (4)

Минутный объем крови, л/мин

1

0.012 N+4.8 (5)



2

0.012 N+4.8





Показатели кардиогемодинамики, кроме систолического объема крови, при мышечной работе повышающейся мощности изменяются в линейной зависимости от мощности выполняемой мышечной нагрузки. Такая   взаимосвязь   изучаемых показателей позволяет рассчитать их значение в широком диапазоне мощностей. Сравнения уравнения 1 с подобными уравнениями у нетренированных детей и подростков, показало, что у нетренированных  мальчиков  11-12 лет прирост частоты сердечных сокращений на каждые 100 кгм/мин мощности составляет  13,3 уд/мин, в то же время у подростков 13-16 лет – 10,2 уд/мин. Иными  словами, у наблюдаемых подростков, частота сердцебиений нарастает медленнее, чем  у мальчиков 11-12 лет (в изучаемом диапазоне мощностей). Это объясняется более высокими функциональными возможностями аппарата кровообращения подростков 13-16 лет, физическая работоспособность которых почти в 1,5 раза превышает работоспособность детей 11-12 лет. «Систематические занятия спортом приводят к экономизации сердечной деятельности, что выражается прежде всего в снижении частоты сердечных колебаний».[2] Во  всем  диапазоне применявшихся нагрузок частота сердечных сокращений у  юных  спортсменов  на 10-20 уд/мин ниже, чем у нетренированных сверстников. Зная частоту сердечных сокращений и  подставив  значения  в  указанные выше уравнения, можно рассчитать мощность выполняемой  физической  нагрузки. Например, при  частоте сердечных сокращений 130  уд/мин  у  подростков  13-16 лет мощность нагрузки будет равна:

130 = 0,102 N + 87

N = 423 кгм\мин

При выполнении возрастающей физической  нагрузки  систолический  объем крови у 13-16 летних нетренированных подростков имеет  линейную  зависимость вплоть до нагрузки 700 кгм/мин, а у тренированных  сверстников  –  до  850 кгм/мин. Максимальная  величина  систолического  объема  крови  составила  у нетренированных  84  мл,  у  тренированных  100  мл,  а  частота   сердечных сокращений у всех подростков была практически одинаковой (158, 154 уд/мин).

При изучении характера адаптации кардиогемодинамики подростков, тренирующихся преимущественно на выносливость (плавание) или развитие скоростно-силовых  качеств,  отмечаются   различия   в   степени   изменения систолического объема крови  при  выполнении  мышечной  работы  возрастающей мощности – от 300 до 1000 кгм/мин. Мощность  мышечной  работы, при которой наступает максимализация систолического объема крови у подростков, растет с повышением выносливости. У юных борцов она лишь  на 50  кгм/мин  выше, чем у нетренированных сверстников и составляет 750 кгм/мин, в то  время  как у пловцов максимум систолического объема крови отмечается при  900  кгм/мин. У них  зарегистрированы  и  более  высокие  показатели  скорости  сердечного выброса. Эта разница составляет в среднем  80-120  мл/с,  хотя  длительность изгнания  крови  из  левого  желудочка  у  подростков  с   разной   степенью выносливости оказалась одинаковой. Можно подумать, что  полученные  величины скорости сердечного выброса у этих подростков  при  работе  равной  мощности отражают неодинаковый уровень их функциональных возможностей.  Специфические изменения   показателей    гемодинамики    у    подростков, тренирующихся преимущественно на выносливость или  развитие  скоростно-силовых  качеств, свидетельствуют о наличии разных  путей  адаптации  системы  кровообращения. 

Согласно общепризнанным  данным,  средние  величины  минутного  объема крови у спортсменов 15-16 лет лишь незначительно (на  0,5-1,5  л/мин)  ниже, чем  у   взрослых.   Использование   относительного   показателя   позволило подтвердить   ту   точку   зрения,   что   эти   изменения   имеют    скорее морфологическую, чем функциональную природу, так как обусловлены  различиями в  тотальных   размерах   тела   подростков.   Систолический   объем   крови максимизируется при мощности выполняемой  работы  650  кгм/мин  у  13-летних подростков, 750 кгм/мин у 14-летних, 850 кгм/мин у 15-летних, 950 кгм/мин  у 16-летних. Частота сердечных сокращений снижается на каждые  100  кгм/мин  с 11,3 уд/мин у 13-летних до 8,1 уд/мин у 16-летних  спортсменов.  Однако  при разработке стандартов  основных  физиологических  показателей  для  детей  и подростков целесообразно  учитывать биологический возраст.

Известно,  что  «…  происходящая   в   период   полового   созревания перестройка функционирования эндокринного  аппарата  оказывает  значительное влияние  на  состояние   сердечно-сосудистой   системы,   изменяя   характер приспособительных механизмов  и  адаптивных  реакций  в  ответ  на  мышечную нагрузку. Так, частота сердечных сокращений у юных спортсменов  находится  в обратной зависимости от  степени  их  индивидуального  полового  созревания. Систолический  объем  крови  увеличивается  по  мере  возрастания   мощности мышечной  работы.  Это  наиболее  выражено   у   подростков-акселератов».[4]

При  выполнении  интенсивной  мышечной  работы  одинаковой   мощности значения минутного объема крови у спортсменов-акселератов  оказались  выше соответствующих показателей чем у их сверстников, причем  нарастание происходило больше за счет систолического объема  крови.  Частота  сердечных сокращений  у  акселератов  имела  тенденцию  к  менее  выраженному росту, вероятно за  счет более рациональной  приспособительной  реакции  аппарата кровообращения к мышечной работе. Мощность, при которой  систолический  объем крови достигает максимума, прямо пропорциональна половой зрелости.

Таким образом, адаптационные реакции аппарата  кровообращения  у  юных спортсменов при выполнении мышечной работы зависят и от их  биологического возраста. Причем некоторые различия в  адаптационных  реакциях  обусловлены, по-видимому, функциональными причинами, а минутный и отчасти систолический объем крови зависят от морфологических   особенностей   организма   юных спортсменов  с  разной  степенью  полового  созревания. К морфологическим особенностям относятся, прежде всего, размеры тела подростков. Так, при работе одинаковой мощности частота сердцебиений у акселератов меньше  на  8-15 уд/мин, систолический объем – на 15-20 мл, минутный объем крови –  на 1-1,5 л/мин, скорость сердечного  выброса  –  на  100-120  мл/с. Сердечный  и ударный индексы, длительность периода изгнания  крови  из  сердца  оказались приблизительно одинаковыми.  Мощность  нагрузки  при  которой  систолический объем крови достигал максимума различалась на 200 кгм/мин.

Взаимосвязь между мощностью выполняемой  работы и  величиной  минутного  объема  крови  может  быть представлена  как  линейная.  Она  существенно  не  зависит  от   физической подготовленности и выражается уравнением:

Q = 0,014 N + 5,0 ,

где Q  –  минутный  объем  крови  (л/мин);  N  –  мощность  мышечной  работы (кгм/мин).

У спортсменов [5], выполняющих нагрузки мощностью   600 и 1300 кгм/мин, наблюдался незначительный рост концентрации CO2 в артериальной  крови.  Значит, при выполнении нагрузок повышающейся мощности  изменения  напряжения  CO2  в артериальной крови не всегда носят однотипный  характер.  Напряжения  CO2  в артериальной  крови  снижается  с  61%  случаев   при   повышении   мощности выполняемой работы с 600 до 1300 кгм/мин и 53,3%  случаев  –  при  повышении мощности с 1000 до 1500 кгм/мин. Таким образом, у большинства  обследованных спортсменов концентрация CO2 в артериальной крови  снижалась  при  повышении мощности выполняемой нагрузки. 

В связи с увеличивающимся сердечным  выбросом,  вызванным  физической нагрузкой, возникает необходимость  более  быстрого  опорожнения  сердца.  В серии исследований, проведенных в лаборатории  спортивной  кардиологии [7] было показано,  что  при  мышечной  работе  возрастающей  мощности   длительность периода  изгнания  крови  из   левого   желудочка   уменьшилась   достаточно существенно.  Это должно было   бы    неблагоприятно    сказаться    на производительности  сердца,  если  бы  при  физической  нагрузке  не  начали функционировать  специальные  компенсирующие   механизмы.   Показателем   их активности является увеличение скорости сердечного выброса. По  мере  укорочения  длительности  периода  изгнания  пропорционально мощности  выполняемой  нагрузки  растет  и  скорость   сердечного   выброса, достигая наибольшей  величины  при  работе  1500  и  2000  кгм/минуту.  Если  в состоянии покоя скорость сердечного выброса колебалась в пределах  120,4 - 435 мл/с, то максимальное ее значение во время мышечной  работы  составило  1520 мл/с. Такое значение  зарегистрировано  у  мастера  спорта  по  классической борьбе, 20 лет, имеющего и максимальные значения минутного и  систолического объема крови. В среднем при субмаксимальной мышечной работе мощностью  2000  кгм/мин сердечный выброс ускоряется в 4,4 раза по сравнению с данными полученными  в покое. Значительное увеличение этого параметра объясняется  как  укорочением периода изгнания, так и увеличением систолического  объема  крови.

Другим  механизмом,  компенсирующим   укорочение   периода   изгнания является  ускорение  кровотока.  Линейная   скорость   кровотока   в   покое находилась  в  пределах  от  53,1  до  153,2  см/с.  С  повышением  мощности выполняемой работы она прогрессивно возрастает,  достигая  при  работе  2000 кгм/мин значений 503 см/с (десятиборец первого разряда, 17 лет).

 «Известно,  что  в  естественных   условиях   тренировочных   занятий выполняемая  работа  (ходьба,  бег,  плавание)   преимущественно   умеренной мощности,   поэтому   представляет    большой интерес изучение ряда кардиогемодинамических показателей в лабораторных  условиях  при  выполнении мышечной  работы  умеренной  мощности. Это позволяет проследить истинные кардиогемодинамические реакции у взрослых спортсменов и выявить  особенности адаптации кровообращения у лиц разных спортивных специализаций на одну и  ту же нагрузку, равную 1000 кгм/мин»[8]. Отсюда делаем вывод, что при одной и  той  же  мышечной  работе  сердце хорошо  тренированного  спортсмена   более  экономно  расходует  энергию  по выбросу крови, следовательно, производительность сердца у него ниже.



Изменение АД при работах разной мощности.

В сосудистом русле при  физической нагрузке происходит перераспределение кровотока между различными  бассейнами. При динамической работе кровоток в сокращающихся мышцах увеличивается почти в 30 раз, почти в 4 раза возрастает коронарный  кровоток. Количество  притекающей крови в мозг меняется незначительно. В то же время уменьшается приток крови к органам желудочно-кишечного тракта и почкам. В крови кровоток  возрастает при легких и снижается при тяжелых нагрузках. 

В кровеносных сосудах работающих мышц решающую  роль начинают играть процессы саморегуляции, вызывающие, так называемую «рабочую гиперемию». Считается, что ее происхождение связано с действием химических факторов (накоплением продуктов метаболизма, повышением напряжения углекислого газа и снижением напряжения кислорода, закислением крови и лимфы, так и с гистомеханическими процессами, то есть с реакциями гистологических элементов внутримышечных артериальных сосудов на механические факторы микро- и макродеформации, возникающие при изменении скорости кровотока и сокращении поперечнополосатых мышц). В результате этих местных изменений происходит дилатация сосудов и переполнение их кровью – состояние гиперемии.

Центральные механизмы регуляции сосудистого тонуса, напротив, направлены преимущественно на повышение сосудистого тонуса. «Под влиянием физической  работы происходит увеличение жесткости  стенок  магистральных артерий,  уменьшение  кровотока  в  неработающих  мышцах,  усиление   тонуса венозных сосудов».[9] В  усилении  мышечного  кровотока  решающее  значение  имеет   именно ритмичность  сокращения  скелетных  мышц,  наблюдающееся  при   динамической работе. При статической работе, когда сосуды сокращающихся мышц сдавлены,  а в неработающих  органах  сужены,  наблюдается  рост  общего  периферического сопротивления сосудов (ПСС), в то время  как  при  динамической  работе  ПСС снижается. Сокращающиеся  скелетные  мышцы   сами   могут   вызвать   выраженные гемодинамические эффекты, которые получили  название  «мышечного  насоса»  и «периферического» или «внутримышечного сердца». Усилению кровотока при   этом способствует повышение внутрисосудистого  давления  в  сдавливаемых  мышцами сосудах (до 200 мм рт.ст.) и анатомические особенности вен, расположенных  в конечностях, карманообразные выросты  которых  обеспечивают  односторонность продвижения крови к сердцу. Феномены «внутримышечного сердца» и «мышечного или  венозного  насоса» отличаются по природе. В основе действий «венозной помпы»  лежит  увеличение кровотока при сдавливании вен между мышцами  или  между  мышцами  и  костью. Этот механизм действует только при ритмических мышечных  сокращениях,  в  то время как, «внутримышечное сердце»  обеспечивает  продвижение  крови  и  при ритмических и при статических мышечных сокращениях. В целом можно  заметить, что  способность  скелетных   мышц   наравне   с   сердцем   участвовать   в гемодинамических эффектах, очевидно лежит в основе  благоприятного  действия мышечных нагрузок на функции сердечно-сосудистой системы.

Сердечные  и  сосудистые  реакции  на  физическую  нагрузку   находят отражение в изменении  интегративных  показателей  кровообращения:  минутного объема кровообращения и кровяного давления. Системное  артериальное  давление  под  влиянием  физической   работы повышается. При  этом систолическое артериальное давление растет  до  130-250 мм рт. ст., а диастолическое артериальное давление – до 78-100  мм  рт.  ст. (в случае субмаксимальных физических нагрузок). Среднее давление достигает 99-167 мм рт. ст. Статические нагрузки вызывают более значительный  рост диастолического артериального давления. Суммарный показатель интенсивности кровообращения – минутный  объем  – по сравнению с состоянием покоя (около 5 л/мин) возрастает до 25 л/мин, а  у хорошо тренированных людей может достигать даже  30-40  л  крови в минуту. 

При статической работе или же не  происходит  изменения  МОК,  или  же происходит незначительное его увеличение.  При  этом  также  практически  не увеличивается потребление кислорода, а после окончания статической  нагрузки – резко растет вместе с увеличением МОК. Это явление, описанное в 20-х  гг., получило название  «феномен  Лингарда»,  по  имени  описавшего  его  автора.

Последующие исследования этого явления показали, что сразу  же  после  конца статической работы МОК кратковременно  уменьшается,  по-видимому,  за  счет увеличения емкости кровяного русла,  сдавливавшегося  мышцами  и  уменьшения венозного возврата.

А.Н. Меделяновский  предложил  качественно  новый  метод  исследования влияния работ различной мощности на  изменение  артериального давления. До этого времени все методы основывались на    оценке физической работоспособности на основании исследования одного или двух  физиологических показателей.  А.Н.  Меделяновский  отметил  –  «…   бесспорно,   что   такая сложноорганизованная биологическая система как  организм  человека  обладает целым рядом адаптаций к физической нагрузке,  которые  у  разных  лиц  могут быть развиты в различной степени и  остаются  неучтенными  при  одноплановой оценке состояния человека»[10]. В основе метода  А.Н.  Меделяновского  лежат представления академика П.К. Анохина об организме, как саморегулирующейся иерархии  функциональных систем, полезным приспособительным результатом которой является поддержание фоновых физиологических показателей на  уровне, адекватном  обменным  потребностям  организма,  и  представления  о  явлении оптимума в физиологических процессах. 



Исследования изменения ЧСС и АД при работе разной мощности



Исследования показателей ЧСС и АД проводились в школе-интернате 1 вида для неслышащих детей г.Кызыла среди учащихся старших классов. Общее количество обследуемых 8 человек (все мальчики) в возрасте от 14 до 16 лет.