СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ДЛИТЕЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ, БЕЗОПАСНОЙ ДЛЯ РАБОТЫ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА, ПО КОВАЛЕВУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING OPTIMUM VALUE OF LONG-TERM PHYSICAL LOAD, SAFE FOR OPERATION OF CARDIOVASCULAR SYSTEM BASED ON KOVALEV METHOD AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области медицины, а именно к методам и устройствам для определения чувствительности сердечно-сосудистой системы организма человека к физической нагрузке.
Из уровня техники известны следующие способы определения оптимальной нагрузки и устройства для их реализации.
Так, из описания к изобретению по патенту РФ №2355301 (опубликован 20.05.2009) известен способ определения переносимости физической нагрузки, заключающийся в том, что регистрируют электрокардиограмму (ЭКГ) пациента, полученную при велоэргометрическом обследовании, анализируют ее путем создания математической модели (КРГ). Изменчивость оценивают КРГ в период уменьшения длительности кардиоинтервалов модулем отклонений от построенного наилучшего тренда и средним квадратичным отклонением (сигмой) от тренда в период стабилизации длительности кардиоинтервалов. На участке изменчивости кардиоинтервалов тенденция отклонений в совокупности моделируют линейной регрессией, прямая которой дает значение момента вхождения модуля отклонения в интервал трех сигм участка стабилизации. Длительность кардиоинтервала (КИ) момента вхождения характеризует точку ускользания сердечной мышцы от вегетативного контроля и определяет переносимость физической нагрузки. Значение длительности КИ в точке ускользания 0,487-0,413 секунд определяют как удовлетворительную, менее 0,487 - как плохую, более 0,413 - как хорошую переносимость физической нагрузки.
Также известно устройство для исследования сердечно-сосудистой системы, содержащее велоэргометр, в состав которого входит пульт управления, блок нормированных нагрузок, электронный блок усилителя и блок механической нагрузки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй блок нормированных нагрузок, кардиомонитор с электродами для регистрации сердечных сокращений, цепь обратной связи, электронные часы с входом "Пуск" и "Стоп", блок управления и блок счетчиков, содержащий счетчик числа сердечных сокращений и счетчик циклов с дешифраторными ключами на выходе, соединенные между собою так, что выход кардиомонитора в цепи обратной связи соединен со входом блока управления, который управляющими выходами связан со входами "Пуск" и "Стоп" электронных часов и с входами управления упомянутых счетчиков, а выход сигнала частоты сердечных сокращений непосредственно соединен с счетным входом первого упомянутого счетчика, последовательный выход которого связан с счетным входом счетчика циклов и блоком управления, причем последовательный выход счетчика циклов связан с блоком управления и входом "Стоп" часов, а параллельные его выходы через дешифраторные ключи связаны с входами второго блока нагрузок, выход которого связан с выходом блока нагрузок велоэргометра и с входом электронного блока (патент РФ №22742, опубликован 27.04.2002).
Наиболее близким аналогом к патентуемому способу является способ, раскрытый в патенте РФ №2231284 (опубликован 27.06.2004). Способ заключается в том, что у пациента измеряют в покое число сердечных сокращений за одну минуту, принимают его за оптимальный цикл, используют это число для задания кода в счетчик сердечных сокращений, а в счетчик циклов задают код планируемой нагрузки, в процессе исследования автоматически снижают нагрузку на педали велоэргометра на определенную величину с каждым последующим циклом до нуля, отличающийся тем, что в качестве кода, задаваемого в счетчик сердечных сокращений, используют код дополнения, равный по величине разности (100 минус число сердечных сокращений в покое), а в качестве кода планируемой нагрузки код, равный n+1, где n - количество запланированных на исследование оптимальных циклов, с помощью секундомеров блока часов автоматически определяют длительность каждого запланированного цикла в отдельности, строят график, отображающий изменения длительности каждого запланированного цикла, по которому оценивают реакцию сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку, и рассчитывают коэффициент отношения длительности первого цикла к последнему, по нему судят о способности пациента реагировать на физическую нагрузку, при этом считают, что чем ближе этот коэффициент к единице, тем легче пациент переносит нагрузку.
При осуществлении данного способа определялась длительность каждого цикла (за один цикл берется количество сердечных сокращения у пациента в одну минуту в покое) определялась в отдельности при снижении физической нагрузки на ноги пациента от заданной величины до нуля, вследствие чего появилась возможность графического отображения времени длительности циклов и возможность рассчитать коэффициент отношения первого цикла к последнему. Вышеуказанный способ отображал только реакцию сердечно-сосудистой системы на снижение физической нагрузки от заданной величины.
Недостатком указанного в качестве наиболее близкого аналога способа является отсутствие возможности по результатам исследования пациента строить график реакции сердечно-сосудистой системы организма человека на возрастающую физическую нагрузку по времени длительности каждого цикла (далее график), по кривой которого в дальнейшем можно выбрать оптимальный режим длительной физической нагрузки безопасный для работы сердечно-сосудистой системы данного человека. Недостатком устройства прототипа также является отсутствие возможности подавать возрастающую физическую нагрузку после завершения каждого цикла и останавливать ее рост на любой величине, для контроля ее воздействия на организм человека в течение определенного времени.
В качестве наиболее близкого аналога к патентуемому устройству может быть принято устройство для реализации способа определения реакции сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку, содержащее велоэргометр и устройство, включающее в себя дополнительный блок нагрузок, с помощью которого блок счетчиков, состоящий из счетчика сердечных сокращений, счетчика циклов и дешифратора имеет возможность управлять автоматически, по истечению каждого цикла, снижением нагрузки с педалей велоэргометра вплоть до нуля, а также устройство содержит часы, с помощью которых через блок управления отсчитывается общее время длительности процесса исследования пациента, при этом устройство дополнительно содержит узел управления нагрузкой, в состав которого входят два блока дешифраторов, два блока счетчиков, блок цифрового индикатора и блок управления нагрузкой, узел кардиосигналов, состоящий из электродов для снятия кардиосигналов (патент РФ №37613, опубликован 27.06.2003).
Недостатками применения известного устройства являются также отсутствие возможности по результатам исследования пациента строить график реакции сердечно-сосудистой системы организма человека на возрастающую физическую нагрузку по времени длительности каждого цикла (далее график), по кривой которого в дальнейшем можно выбрать оптимальный режим длительной физической нагрузки безопасный для работы сердечно-сосудистой системы данного человека. Недостатком устройства прототипа также является отсутствие возможности подавать возрастающую физическую нагрузку после завершения каждого цикла и останавливать ее рост на любой величине, для контроля ее воздействия на организм человека в течение определенного времени.
Задачей патентуемого решения является устранение указанных недостатков.
Технический результат патентуемого способа и устройства для его реализации заключается в расширении возможностей прототипа за счет получения дополнительной информации, дающей возможность выбора оптимального режима длительной физической нагрузки, безопасной для работы сердечно-сосудистой системы человека.
Заявленный технический результат заключается за счет осуществления способа определения оптимальной величины длительной физической нагрузки, безопасной для работы сердечно-сосудистой системы человека, заключающегося в том, что у пациента измеряют в покое число сердечных сокращений за одну минуту, принимают полученное число за один цикл и используют его для расчета кода дополнения, который равен 100 минус число сердечных сокращений пациента в покое, вводят код дополнения в счетчик числа сердечных сокращений, далее в зависимости от состояния пациента определяют величину нагрузки велоэргометра, на которую она будет автоматически повышаться по истечении каждого цикла во время исследования, затем усаживают пациента на велоэргометр, подсоединяют к нему блок для снятия сигналов сокращения сердца, включают счетчик для отсчета циклов, при этом импульс завершения каждого текущего цикла подается в счетчик циклов для дальнейшего увеличения нагрузки через блок управления нагрузкой, который соединен с блоком нагрузок велоэргометра таким образом, что каждый приходящий сигнал с дешифратора увеличивает нагрузку на определенную величину, импульсы завершения циклов подаются также для отсчета времени длительности циклов в узел управления часами, после включения команды старт пациент вращает педали велоэргометра с постоянной скоростью 60 оборотов в минуту, с завершением каждого цикла устройство поднимает нагрузку на педали велоэргометра на опреденную величину до тех пор, пока рост числа сердечных сокращений не начнет замедляться, по завершении еще, по меньшей мере, одного цикла с продолжением увеличения нагрузки на определенную величину, исследование прекращают и получают данные длительности каждого цикла, причем на момент завершения каждого цикла определяют число сердечных сокращений в минуту (скорость сердечных сокращений), которую рассчитывают по формуле:
X - число сердечных сокращений в минуту при нагрузке;
pk - число сердечных сокращений в покое (цикл);
tc - длительность цикла в секундах, при этом нагрузка, при которой стабилизируется число сердечных сокращений в минуту (перед их замедлением при возрастающей нагрузке), является оптимальной безопасной нагрузкой для работы сердечно-сосудистой системы конкретного человека.
Предлагаемый способ основан на том, что рост числа сердечных сокращений в единицу времени не может бесконечно увеличиваться при повышении физической нагрузки. Сначала, пока физическая нагрузка мала, число сердечных сокращений увеличивается медленно, затем с повышением нагрузки с каждым циклом, число сердечных сокращений возрастает, а длительность циклов, вследствие этого, уменьшаться. Через определенное (индивидуальное для каждого человека) время скорость роста числа сердечных сокращений начинает замедляется, так как оно не может увеличиваться бесконечно. После уменьшения скорости роста числа сердечных сокращений мы рекомендуем исследование завершить. По графику кривой времени длительности циклов можно рекомендовать оптимальную физическую нагрузку, безопасную для работы сердечно-сосудистой системы данного пациента. Подбор длительной физической нагрузки для больных по результатам исследования проводится индивидуально.
Кроме этого, дополнительно, для определения оптимальной безопасной нагрузки можно построить график зависимости рассчитанных по формуле числа сердечных сокращений в минуту в зависимости от нагрузки или по данным длительности каждого цикла (в секундах) в зависимости от значений возрастающей величины мощности нагрузки велоэргометра (в Вт).
Технический результат достигается тем, что в способе выбора оптимальной величины длительной физической нагрузки, безопасной для работы сердечно-сосудистой системы человека, определяется длительность каждого цикла при возрастающей физической нагрузке до уменьшения скорости роста пульса, несмотря на продолжающийся рост нагрузки еще в течение 1-3 циклов (количество циклов зависит от физических возможностей пациента и величины нагрузки, на которую она меняется с каждым циклом).
Если в процессе исследования у пациента появляются нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы или других систем организма, выходящие за пределы нормальной реакции на физическую нагрузку, то процесс исследования прекращается на любом его этапе. По результатам изменения длительности циклов на возрастающую физическую нагрузку строится график реакции сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку.
В частности, величина мощности нагрузки велоэргометра за один цикл может быть от одного до нескольких десятков Вт, данная величина определяется врачом в зависимости от физического состояния пациента, в нашем случае она составляет 10 Вт, при этом начальная величина (мощность нагрузки велоэргометра для первого цикла исследования) также равна 10 Вт.
В качестве прибора для получения сигналов сокращения сердца может быть использован любой прибор, регистрирующий работу сердца, кардиомонитор, или пульсоксиметр, или электрокардиограф и т.д.
Также технический результат достигается за счет использования устройства для реализации способа определения оптимальной величины длительной физической нагрузки, безопасной для работы сердечно-сосудистой системы человека, содержащее велоэргометр (для создания нагрузки), содержащий пульт управления, развязанный через выключатель с блоком нагрузок, взаимодействующим через электронный блок с блоком механической нагрузки, устройство для снятия числа сердечных сокращений, включающее в себя блок формирования кода дополнения, узел управления часами, узел кардиосигналов и узел управления нагрузкой, при этом
узел управления часами включает блок часов, взаимодействующий с блоком управления часами, соединенным через дешифратор с блоком счетчиков часов, блоком задержки сигнала и блоком формирования сигнала управления часами,
узел кардиосигналов, содержащий электроды, соединенные с блоком кардиомонитора, связанным с блоком формирования кардиосигнала, который, в свою очередь, через выключатель связан с блоком счетчика числа сердечных сокращений.
узел управления нагрузкой велоэргометра, содержащий индикатор, связанный через дешифратор со счетчиком отсчета числа сердечных сокращений, соединенным через выключатель со счетчиком циклов и через другой дешифратор с блоком управления нагрузкой велоэргометра, который взаимодействует с блоком нагрузки велоэргометра, при этом блок счетчиков часов узла управления часами взаимодействует напрямую с выходом блока счетчика числа сердечных сокращений у выключателя Вк2.
В качестве источника сигналов сокращения сердца может быть выбран любой прибор, регистрирующий работу сердца: кардиомонитор, или пульсоксиметр, или электрокардиограф и т.д.
Далее решение поясняется ссылкой на фигуру, на которой приведена блок-схема устройства для реализации способа определения оптимальной величины длительной физической нагрузки, безопасной для работы сердечно-сосудистой системы человека.
Данное устройство содержит велоэргометр В, содержащий пульт управления ПУ, отключенный выключателем Вк1 от блока нагрузок БН (пульт управления велоэргометра ПУ в дальнейшем при проведении исследования участия не принимает), взаимодействующим через электронный блок ЭБ с блоком механической нагрузки М, устройство для снятия числа сердечных сокращений У, включающее в себя блок формирования кода дополнения ФКД, узел управления часами УУЧ, узел кардиосигналов УКС и узел управления нагрузкой УУН, при этом узел управления часами УУЧ включает блок часов БЧ, взаимодействующий с блоком управления часами БУЧ, соединенным через дешифратор ДШ3 с блоком счетчиков часов СчЧ, блоком задержки сигнала УЗС и блоком формирования сигнала управления часами ФСУ, узел кардиосигналов УКС, содержащий электроды Д, соединенные с кардиомонитором КМ, связанным с блоком формирования кардиосигнала ФКС, узел управления нагрузкой УУН, содержащий индикатор ИНД, связанный через дешифратор ДШ2 со счетчиком для отсчета числа сердечных сокращений СчС, который через выключатель Вк2 соединен со счетчиком циклов СчЦ. Счетчик СчЦ через дешифратор ДШ1 соединен с блоком управления нагрузкой БУН, который взаимодействует с блоком нагрузки БН велоэргонометра В, при этом блок счетчиков часов СчЧ узла управления часами УУЧ взаимодействует через блок формирования сигнала управления часами ФСУ с выходом счетчика числа сердечных сокращений у выключателя Вк2, блок формирования кардиосигнала ФКС соединен через выключатель Вк3 с блоком счетчика числа сердечных сокращений для отсчета циклов и подачи их в блок счетчика циклов СчЦ. Цифра кода дополнения блока ФКД формируется переключателями, входящими в него, и водится нажатием кнопки «запись». Кнопка «Сброс» соединена со всеми счетчиками и «Ком. Старт». При этом все счетчики и блок «Старт» соединены и взаимодействуют с кнопкой «Сброс», необходимой для приведения счетчиков в исходное положение перед началом исследования. Все счетчики, за исключением СчС, начинают отсчет с нуля, в то время как счетчик СчС начинает отсчет от введенного в него кода дополнения (100 минус число сердечных сокращений). Работа устройства осуществляется следующим образом.
Перед началом исследования врач осматривает пациента и, в зависимости от физического состояния, пола, возраста, состояния сердечно-сосудистой системы, а также наличия других заболеваний, определяет ему ту величину нагрузки велоэргометра, на которую она будет повышаться по истечении времени длительности каждого цикла во время исследования. Эта величина может быть от единиц до десятков Вт. Перед нажатием кнопки «Запись» нажимается кнопка «Сброс» для приведения всех счетчиков и команды старт в исходное положение (исходное положение - это когда счетчики находятся в состоянии готовности приема информации на начало исследования, а индикатор команды «Старт» не светится). Затем пациента усаживают на велоэргометр, подсоединяют к нему прибор для снятия сигналов сокращения сердца (любой прибор, регистрирующий работу сердца: кардиомонитор, или пульсоксиметр, или электрокардиограф и т.д.), дают 2-3 минуты пациенту успокоиться и включают выключатель Вк3 (выключатель Вк2 должен находиться во включенном состоянии, а Вк1 в отключенном). После включения выключателя Вк3 сигналы работы сердца начинают поступать на счетчик СчС для отсчета циклов. Импульс завершения каждого текущего цикла через выключатель Вк2 подается в счетчик циклов СчЦ, откуда через дешифратор ДШ1 для дальнейшего увеличения нагрузки через блок управления нагрузкой БУН. Блок управления нагрузкой БУН соединен с блоком нагрузок БН велоэргометра таким образом, что каждый приходящий сигнал с дешифратора ДШ1 увеличивает нагрузку на определенную величину роста нагрузки, определенную врачом еще до начала исследования данному пациенту, начиная от нуля. Импульсы завершения циклов подаются также для отсчета времени длительности циклов в узел управления часами УУЧ. Узел управления часами УУЧ отсчитывает время длительности циклов следующим образом: импульс, выданный счетчиком числа сердечных сокращений после завершения первого цикла с блока СчС, подается напрямую - на блок формирования сигнала управления часами ФСУ, откуда сформированный сигнал подается на один из счетчиков блока счетчиков часов СчЧ и одновременно подается на блок задержки сигнала УЗС, откуда с задержкой в пределах одной миллисекунды поступает на другой счетчик того же блока счетчиков часов СчЧ. Не задержанный сигнал с блока счетчиков часов СчЧ через дешифратор ДШ3 поступает на блок управления часами БУЧ и оттуда посредством транзисторных ключей через реле (как и в блоке БУН) включает первый секундомер блока часов БЧ. Задержанный сигнал с блока счетчиков СчЧ поступает на другой дешифратор блока дешифраторов ДШ3 и остается свободным, в дальнейшей работе устройства он не используется. Следующий сигнал очередного цикла с дешифратора ДШ3 на блок управления часами БУЧ включает следующий секундомер блока часов БЧ, а задержанный сигнал этого цикла через другой дешифратор и блок управления часами отключает отсчет времени предыдущего секундомера, тем самым фиксируя время длительности прошедшего цикла. Так продолжается до прихода последнего задержанного сигнала последнего цикла исследования, который прекращает отсчет времени текущего цикла на последнем задействованном секундомере. Время, зафиксированное на каждом секундомере, считывается и по нему, применив предложенную формулу:
расчитывают число сердечных сокращений на конец каждого цикла в минуту.
По полученным данным определяют безопасную оптимальную нагрузку, при которой произошла стабилизация числа сердечных сокращений в минуту перед их замедлением или же строят график реакции сердечно-сосудистой системы организма человека на возрастающую физическую нагрузку по количеству сердечных сокращений в минуту. Импульс завершения первого цикла включает индикатор команды старт. Индикация числа сердечных сокращений происходит через дешифратор ДШ2 и индикатор ИНД. После включения команды «Старт» пациент начинает вращать педали велоэргометра с постоянной скоростью 60 оборотов в минуту. Скорость увеличения числа сердечных сокращений на физическую нагрузку у каждого пациента индивидуальна и зависит от физического состояния данного пациента на момент исследования. В процессе исследования автоматически, с завершением каждого цикла, устройство поднимает величину нагрузки на величину, установленную и заданную врачом в зависимости от физического состояния пациента, например 10 Вт. Нагрузка велоэргометра (в данном случае начинается с 10 Вт) и по истечении каждого цикла автоматически увеличивается на 10 Вт до тех пор, пока рост числа сердечных сокращений не начнет замедляться, после чего по завершению еще 1-3-х циклов исследование прекращают. Пациенту дают отдохнуть не мене 30 минут и исследование повторяют, но нагрузку прекращают увеличивать по графику на один цикл ниже начала падения пульса. После прекращения роста нагрузки сеанс исследования продолжается еще в течение 15 минут, если рост числа сердечных сокращений не превышает изначальной на момент отключения нагрузки плюс величина одного цикла по графику величины падения пульса, сеанс считается завершенным. Если рост числа сердечных сокращений превышает изначальный на момент отключения физической нагрузки плюс величина одного цикла роста по графику, то после отдыха пациента не менее 30 минут сеанс повторяется, но нагрузка отключается еще на один цикл раньше и так продолжается до получения желаемого результата, то есть прекращение роста пульса на определенную физическую нагрузку. Данная величина нагрузки и есть безопасная длительная нагрузка для данного пациента на данный момент времени. Сеанс исследования проводится под контролем врача для устранения нежелательных осложнений, которые могут возникнуть во время проведения исследования.
В результате исследования получают данные длительности каждого цикла. По данным длительности каждого цикла строится график, отображающий уменьшение времени длительности каждого цикла в зависимости от нагрузки. Величина, на которую возрастает нагрузка с каждым циклом, всегда постоянная и устанавливается врачом в начале исследования в данном случае 10 Вт (первый цикл 10 Вт, второй 20 Вт, третий 30 Вт и так до завершения сеанса исследования).
Далее патентуемое решение поясняется с помощью примера.
Пример. Пациент И. с числом сердечных сокращений 80 ударов в минуту, которое принято за один цикл. Код дополнения, соответственно, принимали равным - 20. Начальная нагрузка была определена в 10 Вт, на 10 Вт также повышалась нагрузка каждого следующего цикла. До завершения исследования было выполнено 12 циклов. В результате получили следующую длительность циклов (время, за которое сердце совершало 80 ударов при увеличении нагрузки) по показаниям часов на блоке часов:
Подставляя полученные результаты в формулу:
рассчитали количество сердечных сокращений в минуту после завершения каждого цикла:
Х1=(60*80)/58=82,75, аналогично рассчитали число сердечных сокращений последующих циклов и получили следующие результаты:
Х2=84,13; Х3=85,1; Х4=87,27; Х5=94,11; Х6=104,3; Х7=120; Х8=137,14; Х9 - 154,83; Х10=165,51; Х11=171,42; Х12=174,54.
По полученным данным построили график зависимости числа сердечных сокращений от возрастающей физической нагрузки, на основании которого определили, что после 9-го цикла (нагрузка 90 Вт) скорость увеличения ЧСС начинает замедляться - это и есть точка отсчета, с которой мы будем понижать нагрузку по одному циклу.
После того как пациент отдохнул не менее 30 минут, исследование повторили, но подачу нагрузки прекратили в данном случае после 8-го цикла, т.е. 80 Вт, если число сердечных сокращений в течение 15 минут работы под нагрузкой 80 Вт увеличивается более чем 154,83 в минуту - сеанс исследования прекращался и пациенту давали возможность отдохнуть не менее 30 минут. После отдыха исследование повторяли, но подачу нагрузки прекращали после 7-го цикла, т.е. 70 Вт, если в течение 15 минут исследования число сердечных сокращений не превышает 154,83 в одну минуту, исследование прекращают.
У данного пациента число сердечных сокращений стабилизировалось до начала снижения скорости увеличения числа сердечных сокращений (точки отсчета) при нагрузке 70 Вт. Данная величина нагрузки 70 Вт и есть максимальная безопасная нагрузка у данного пациента на момент исследования.
Для того, чтобы преодолевать пошагово возрастающую нагрузку велоэргометра пациент вынужден давить на педали с силой от нескольких ньютонов до нескольких сот ньютонов.