СПОСОБ ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
METHOD FOR EVALUATING INDIVIDUAL'S PHYSICAL EFFICIENCY

Изобретение относится к медицине, в частности к эргометрии, и может быть использовано в спортивной, морской, авиационно-космической, профилактической медицине при массовом обследовании населения для оценки работоспособности человека.
Известен способ определения работоспособности человека, заключающийся в функциональном обследовании сердечно-сосудистой системы до и после физической нагрузки с последующим определением переносимости физической нагрузки (Карпман В.Л., Белоцерковский З.Б., Гудков И.А. Тестирование в спортивной медицине. - М.: ФиС, 1988. - С. 21-117) [1]. Недостатком данного способа является длительность и сложность обследования.
Известен способ определения работоспособности человека, при котором физическую нагрузку выполняют в два этапа длительностью по 4-6 минут с интервалом 3-4 минуты, при этом вторая нагрузка в два раза больше первой (SU 876110 A1, опубл. 30.10.81, 3 МПК A61B 10/00) [2]. Испытуемому после предварительного многопрофильного обследования в лабораторных условиях и заключения «практически здоров» в состоянии покоя регистрируют электрокардиограмму, фонокардиограмму, сфигмограмму сонной и бедренной артерий, артериальное давление и определяют частоту сердечных сокращений (ЧСС), ударный объем (УО) по формуле Бремзера-Ранке, минутный объем крови (МОК) и удельное периферическое сопротивление, затем предлагают первую пятиминутную физическую нагрузку пороговой мощности 700-800 кгм-мин, после которой определяют те же показатели. После трехминутного интервала предлагают вторую пятиминутную физическую нагрузку субмаксимальной мощности с повторным определением вышеуказанных показателей. По динамике полученных показателей в разных условиях: в покое (до нагрузки), после первой нагрузки по сравнению с покоем, после второй нагрузки в сравнении с первой и покоем, получают результаты всех показателей по их приросту в величинах, имеющих одинаковую размерность. При наличии достаточных адаптивных свойств, отсутствии состояния напряжения, при котором прирост МОК не превышает четырех раз, анализируют динамику работоспособности сердечно-сосудистой системы. Недостатком данного способа является необходимость использования большого количества регистрирующей аппаратуры, а УО и МОК рассчитывают с низкой точностью по формулам, не учитывающим индивидуальные особенности испытуемого.
Известен способ определения работоспособности человека, при котором учитывают пол, возраст и вес испытуемого и осуществляют велоэргометрическую нагрузку одноступенчато и в субмаксимальных дозах (SU 1380728A1, 4 МПК A61B 5/16, опубл. 15.03.86) [3]. У испытуемого в покое записывают электрокардиограмму, измеряют артериальное давление. Затем испытуемый выполняет на велоэргометре рассчитанную исходя из его антропометрических данных непрерывную субмаксимальную велоэргометрическую нагрузку в течение трех минут с частотой педалирования 60 об/мин. В последние 10 секунд нагрузки повторно записывают электрокардиограмму и измеряют артериальное давление. По зарегистрированным показателям определяют максимальное потребление кислорода, показатель максимальной интенсивности потребления кислорода за одну минуту и оценивают уровень физической работоспособности по нормированной шкале. Недостатком данного способа является использование нагрузки высокой интенсивности, что неприемлемо для лиц со сниженным уровнем здоровья.
Известен способ определения работоспособности человека при выполнении динамической физической нагрузки (SU 1266529 A1, опубл. 30.10.86, 4 МПК A61B 10/00) [4]. Предварительно для каждой возрастной группы определяют среднюю мощность физической нагрузки. Затем испытуемому задают нагрузку средней мощности, характерную для его возрастной группы. В процессе работы на велоэргометре измеряют ЧСС и артериальное давление. Первоначальное повышение показателей сменяется стабилизацией показателей. При отклонении регистрируемых показателей от уровня стабилизации работу прекращают. Определяют среднее значение показателей и рассчитывают коэффициент работоспособности, по величине которого определяют высокий или низкий уровни работоспособности. Недостатком данного способа является высокая интенсивность нагрузки, предъявляемой испытуемому.
0,687
Известен способ определения работоспособности человека (SU 1445687 A1, опубл. 23.12.88, 4 МПК A61B 5/02) [5], согласно которому испытуемому предъявляют нагрузочные тесты и определяют максимальное потребление кислорода. Нагрузочный тест включает пробу Штанге с задержкой дыхания, пробу Мартинэ-Кушелевского, пробу на выносливость с пневмоманометром и ортостатическую пробу. Физическую работоспособность оценивают по величине максимального потребления кислорода, определяемого из выражения: K=10,9×C, где K - максимальное потребление кислорода, мл/мин×кг, C - сумма баллов по результатам выполнения пробы задержки дыхания на вдохе. Так как максимальное потребление кислорода определяют по расчетной формуле, в которой каждый балл определяют с погрешностью до 50%, это снижает точность максимального потребления кислорода и, следовательно, точность определения работоспособности человека.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения работоспособности человека путем предъявления дозированной двухступенчатой физической нагрузки, заключающийся во вставании из положения сидя (SU 1602456 A1, опубл. 30.10.90, 5 МПК A61B 5/22) [6], принимаемый за прототип. Испытуемого помещают на сидение определенной высоты, предъявляют трехминутную нагрузку в виде вставаний из положения сидя, исследуют параметры сердечно-сосудистой системы, измеряют вес испытуемого в положении сидя, путь, пройденный его центром тяжести, темп вставаний и вычисляют мощность нагрузки по формуле: N=P×h×n/6, где N, Вт - мощность нагрузки, P, кг - вес испытуемого в положении сидя, h, м - путь, пройденный его центром тяжести, n - темп вставаний (цикл/мин). После трехминутного отдыха испытуемому предлагают выполнить вторую нагрузку с большим темпом. В конце выполнения первой и второй нагрузок у испытуемого определяют ЧСС и путем экстраполяции линейной зависимости ЧСС от мощности нагрузки определяют величину PWC170 (power working capacity - физическая работоспособность), что соответствует такой мощности физической нагрузки, которая приводит к повышению ЧСС до 170 уд./мин. Оценку работоспособности производят по нормативным таблицам значений PWC170 соответствующим уровням работоспособности: низкий, удовлетворительный, средний, хороший, высокий.
Определение веса испытуемого, использование двухступенчатой нагрузки, отсутствие автоматизации усложняет обследование и увеличивает время его выполнения. Так как общепринятое время выполнения каждой нагрузки составляет не менее трех минут, с учетом трехминутного отдыха и процедуры предварительного взвешивания испытуемого, общее время обследования будет не менее 10 минут, что затрудняет проведение массовых обследований населения.
Кроме того, вторая нагрузка может быть чрезмерной по интенсивности и поэтому опасной для лиц с низким уровнем здоровья.
Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение времени и упрощение испытания за счет уменьшения количества выполняемых нагрузок и исключения процедуры взвешивания испытуемого, обеспечение возможности автоматизации обработки результатов испытаний, а также повышение безопасности обследования для лиц со сниженным уровнем здоровья, за счет выполнения испытуемым нагрузки с задаваемым им самим темпом.
Указанный технический результат достигается тем, что способ оценки уровня физической работоспособности человека включает выполнение испытуемым нагрузки в виде перемещения центра тяжести тела испытуемого при вставании с сидения определенной высоты на расстояние, равное разности между ростом испытуемого в положении стоя и его ростом в положении сидя с заданным темпом, вычислении мощности, развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки с одновременной регистрацией частоты сердечных сокращений (ЧСС) и сравнении полученных значений мощности с нормативными значениями мощностей для разных уровней работоспособности.
Согласно изобретению предварительно вычисляют линейные зависимости между ЧСС и удельной мощностью, развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки для групп мужчин и женщин определенного возраста с разным уровнем работоспособности с последующим вычислением нормативных значений удельной мощности разграничивающих разные уровни работоспособности, регистрируют ускорение тела испытуемого при выполнении нагрузки в произвольном комфортном для него темпе с помощью акселерометра, закрепленного на туловище испытуемого, вычисляют скорость перемещения центра тяжести тела, выделяют экстремумы изменения скорости перемещения центра тяжести тела с одинаковым знаком и по периоду между экстремумами вычисляют темп вставаний, затем испытуемому предъявляют тестовую нагрузку с вычисленным темпом и на последней минуте выполнения нагрузки регистрируют ЧСС, по которой, используя предварительно полученные линейные зависимости удельной мощности от ЧСС, вычисляют нормативные значения удельной мощности, разграничивающие разные уровни работоспособности, которые сравнивают с удельной мощностью, развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки.
В частном случае выполнения линейные зависимости между ЧСС и удельной мощностью, развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки для групп мужчин и женщин определенного возраста с различными уровнями работоспособности, вычисляют методом наименьших квадратов, усредняют параметры линейных зависимостей для лиц с низким и средним, со средним и удовлетворительным, с удовлетворительным и хорошим, с хорошим и высоким уровнями работоспособности, по усредненным параметрам строят линейные зависимости удельной мощности нагрузки от ЧСС, по которым для произвольной ЧСС вычисляют нормативные значения удельной мощности, разграничивающие низкий и средний, средний и удовлетворительный, удовлетворительный и хороший, хороший и высокий уровни работоспособности.
Выполнение нагрузки в комфортном темпе, который определяет сам испытуемый, повышает безопасность обследования для лиц с низким уровнем здоровья.
Использование для оценки работоспособности удельной мощности (Вт/кг) вместо абсолютной мощности (Вт), как у прототипа, позволяет исключить процедуру определения веса испытуемого, что сокращает время и упрощает обследование.
Линейные зависимости удельной мощности, развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки, от ЧСС, полученные предварительно, позволяют определить уровень работоспособности при однократной нагрузке. Исключение двухуровневой нагрузки сокращает время и упрощает обследование, что важно при скрининге населения.
Измерение ускорения центра тяжести тела испытуемого при вставаниях позволяет определить темп вставаний. Использование акселерометра для регистрации ускорения туловища испытуемого при вставании обеспечивает точность измерения темпа вставаний и возможность автоматизации обработки результатов испытаний.
Операции способа поясняются фигурами чертежей.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства для осуществления способа.
2
На фиг.2 приведен график зависимости изменения ускорения а, м/с туловища испытуемого от времени t, мс при выполнении испытуемым нагрузки.
2
На фиг.3 приведен график зависимости изменения скорости v, м/с перемещения туловища испытуемого от времени t, мс при выполнении испытуемым нагрузки.
1,2
На фиг.4 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей мужчин с низкой и удовлетворительной работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц с низкой работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - с удовлетворительной работоспособностью.
2,3
На фиг.5 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей мужчин с удовлетворительной и средней работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц с удовлетворительной работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - со средней работоспособностью.
3,4
На фиг.6 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей мужчин со средней и хорошей работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц со средней работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - с хорошей работоспособностью.
4,5
На фиг.7 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей мужчин с хорошей и высокой работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц с хорошей работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - с высокой работоспособностью.
1,2
На фиг.8 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей женщин с низкой и удовлетворительной работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц с низкой работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - с удовлетворительной работоспособностью.
2,3
На фиг.9 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей женщин с удовлетворительной и средней работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц с удовлетворительной работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - со средней работоспособностью.
3,4
На фиг.10 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей женщин со средней и хорошей работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц со средней работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - с хорошей работоспособностью.
4,5
На фиг.11 приведен график линейной зависимости удельной мощности W, Вт/кг от ЧСС F, сокр./мин, разграничивающей мужчин с женщин и высокой работоспособностью, обозначенный сплошной линей, треугольниками и штриховой линией обозначены значения удельной мощности для группы лиц с хорошей работоспособностью, квадратами и пунктирной линией - с высокой работоспособностью.
Блок-схема осуществления способа оценки физической работоспособности человека (фиг.1) содержит акселерометр 1 (датчик ADXL103CE фирмы Analog Devices), закрепленный на туловище испытуемого 2, блок регистрации ускорения 3, блок вычисления темпа вставаний 4, блок задания темпа вставаний 5, блок регистрации электрокардиограммы 6, блок измерения ЧСС 7, блок управления 8, блок измерения уровня работоспособности 9, дисплей 10. Регистрация сигнала акселерометра и электрокардиограммы осуществлялась полиграфическим прибором «АРМИС» фирмы КорВита. Блоки 4, 5, 7, 8, 9 реализованы программно на персональном компьютере Pentium 4.
i,i+1
Из блока управления 8 испытуемому 2 подается команда выполнять нагрузку в виде вставаний со стула. При этом центр тяжести тела испытуемого перемещается на расстояние h, равное разности между ростом испытуемого 2 в положении стоя и его ростом в положении сидя, в произвольном комфортном для испытуемого 2 темпе. Аналоговый сигнал акселерометра 1 (фиг.2) преобразуется в цифровую форму в блоке регистрации ускорения 3, в блоке вычисления темпа вставаний 4 цифровой сигнал путем интегрирования по времени преобразуется в сигнал скорости, из которого выделяются экстремумы одного знака (фиг.3), измеряется период T (с) между экстремумами и вычисляется темп вставаний n=60/T (цикл/мин). Блок задания темпа вставаний 5 подает команды «встать-сесть» на дисплей 10 испытуемому 2 до конца выполнения нагрузки в темпе n. По команде испытуемый 2 встает и садится. По истечении второй минуты блок управления 8 подает сигнал в блоке регистрации электрокардиограммы 6. Через три минуты выполнения нагрузки испытуемым 2 блок управления 8 подает на дисплей 10 команду «стоп», и испытуемый 2 прекращает выполнение нагрузки. На последней минуте нагрузки блок определения ЧСС 7 по периоду между зубцами R электрокардиограммы вычисляет ЧСС. Блок определения уровня работоспособности 9 по ЧСС вычисляет нормативные удельные мощности W, разграничивающие уровни работоспособности i, которые сравнивает с вычисленной удельной мощностью W=h×n/6 (Вт/кг), развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки, и оценивает уровень работоспособности, который выводится на дисплей 10.
i,i+1
i
i
i
i
i
i
i
i
i+1
i,i+1
1,2
1
2
1
2
2,3
2
3
2
3
3,4
3
4
3
4
4,5
4
5
4
5
Нормативные удельные мощности W вычисляют по зависимостям между удельной мощностью и ЧСС, полученным на предварительном этапе. Известным способом определяли уровень работоспособности у 60 мужчин и 66 женщин в возрасте 21-22 года. Низкий уровень работоспособности i=1 имели 12 мужчин и 15 женщин, удовлетворительный уровень работоспособности i=2 имели 14 мужчин и 18 женщин, средний уровень работоспособности i=3 имели 19 мужчин и 16 женщин, хороший уровень работоспособности i=4 имели 8 мужчин и 10 женщин, высокий уровень работоспособности i=5 имели 7 мужчин и 7 женщин. По пути h, пройденному центром тяжести испытуемого, и темпу вставаний n вычисляли удельную мощность W=N/P=P×h×n/P=h×n. Методом наименьших квадратов (Джонсон H., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М., Мир, 1980. С.447-501) [7] для групп мужчин и женщин с разным уровнем работоспособности i находили линейные зависимости удельной мощности W от ЧСС F, зарегистрированной при выполнении нагрузки, W=a×F+b где a, b - параметры линейной функции W (фиг.4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11). Путем усреднения параметров a и b функций W, W вычисляли параметры линейных зависимостей W, разграничивающих лиц с низким и средним уровня работоспособности W=(a+a)/2×F+(b+b)/2, со средним и удовлетворительным W=(a+a)/2×F+(b+b)/2, с удовлетворительным и хорошим W=(a+a)/2×F+(b+b)/2, с хорошим и высоким W=(a+a)/2×F+(b+b)/2.
Для мужчин
1,2
W=0,022×F-1,781 (фиг.4),
2,3
W=0,02356×F-1,3875 (фиг.5),
3,4
W=0,0242×F-0,9904 (фиг.6),
4,5
W=0,02505×F-0,6439 (фиг.7).
Для женщин
1,2
W=0,0148×F-0,9229 (фиг.8),
2,3
W=0,0177×F-0,9026 (фиг.9),
3,4
W=0,0197×F-0,82845 (фиг.10),
4,5
W=0,02265×F-0,757 (фиг.11).
i,i+1
Полученные зависимости запоминаются в блоке определения уровня работоспособности 9 и используются для вычисления нормативных удельных мощностей W.
i,i+1
После сравнения удельной мощности W, развиваемой испытуемым при выполнении нагрузки, с нормативными удельными мощностями W для разных уровней работоспособности i уровень работоспособности оценивают:
1,2
- низкий, i=1 при W<W;
1,2
2,3
- удовлетворительный, i=2 при W≤W<W;
2,3
3,4
- средний, i=3 при W≤W<W;
3,4
4,5
- хороший, i=4 при W≤W<W;
4,5
- высокий, i=5 при W≤W.
Сокращение времени испытаний и снижение нагрузки на испытуемого подтверждается следующими примерами.
Пример 1
Испытуемый ТРП, мужского пола, 20 лет, вес тела 74 кг. Для оценки работоспособности способом-прототипом предъявлялась двухступенчатая нагрузка. Мощность нагрузки первой ступени N1=89 Вт при ЧСС=126 сокр./мин, мощность второй ступени нагрузки N2=133 Вт, при ЧСС=164 сокр./мин. Путем экстраполяции вычисляли PWC170=140 Вт, что соответствует удовлетворительному уровню работоспособности. Общее время испытания составило 12 минут.
1,2
2,3
3,4
4,5
При оценке работоспособности заявляемым способом испытуемый выполнял нагрузку в комфортном для себя темпе 20 цикл/мин с удельной мощностью W=1,2 Вт/кг в течение 3 минут. В конце последней минуты нагрузки была зарегистрирована ЧСС=124 сокр/мин, для которой были вычислены нормативные удельные мощности, разграничивающие уровни работоспособности W=0,99 Вт/кг, W=1,53 Вт/кг, W=2,01 Вт/кг, W=2,46 Вт/кг, сравнение которых с удельной мощностью при выполнении нагрузки указывает на удовлетворительный уровень работоспособности испытуемого и совпадает с оценкой способом-прототипом. Длительность испытания сократилась в 4 раза по сравнению со способом прототипом, а интенсивность нагрузки соответствует первой ступени нагрузки способа-прототипа.
Пример 2
Испытуемый БАС, женского пола, 21 год, вес тела 56 кг. Для оценки работоспособности способом-прототипом предъявлялась двухступенчатая нагрузка. Мощность нагрузки первой ступени N1=60 Вт при ЧСС=128 сокр./мин, мощность второй ступени нагрузки N2=84 Вт, при ЧСС=148 сокр./мин. Путем экстраполяции вычисляли PWC 170=110 Вт, что соответствует среднему уровню работоспособности. Общее время испытания составило 11 минут.
1,2
2,3
3,4
4,5
При оценке работоспособности заявляемым способом испытуемый выполнял нагрузку в комфортном для себя темпе 25 цикл/мин с удельной мощностью W=1,5 Вт/кг в течение 3 минут. В конце последней минуты нагрузки была зарегистрирована ЧСС=132 сокр/мин, для которой были вычислены нормативные удельные мощности, разграничивающие уровни работоспособности W=1 Вт/кг, W=1,43 Вт/кг, W=1,77 Вт/кг, W=2,23 Вт/кг, сравнение которых с удельной мощностью при выполнении нагрузки указывает на средний уровень работоспособности испытуемого и совпадает с оценкой способом-прототипом. Длительность испытания сократилась более чем в 3 раза по сравнению со способом прототипом, а интенсивность нагрузки существенно меньше второй ступени нагрузки способа-прототипа.
Пример 3
Испытуемый КМЕ, мужского пола, 21 год, вес тела 75 кг. Для оценки работоспособности способом-прототипом предъявлялась двухступенчатая нагрузка. Мощность нагрузки первой ступени N1=107,5 Вт при ЧСС=108 сокр./мин, мощность второй ступени нагрузки N2=161 Вт, при ЧСС=151 сокр./мин. Путем экстраполяции вычисляли PWC170=185 Вт, что соответствует хорошему уровню работоспособности. Общее время испытания составило 13 минут.
1,2
2,3
3,4
4,5
При оценке работоспособности заявляемым способом испытуемый выполнял нагрузку в комфортном для себя темпе 25 цикл/мин с удельной мощностью W=1,79 Вт/кг в течение 3 минут. В конце последней минуты нагрузки была зарегистрирована ЧСС=114 сокр./мин, для которой были вычислены нормативные удельные мощности, разграничивающие уровни работоспособности W=0,77 Вт/кг, W=1,3 Вт/кг, W=1,77 Вт/кг, W=2,2 Вт/кг, сравнение которых с удельной мощностью при выполнении нагрузки указывает на хороший уровень работоспособности испытуемого и совпадает с оценкой способом-прототипом. Длительность испытания сократилась более чем в 4 раза по сравнению со способом прототипом, а интенсивность нагрузки существенно меньше второй ступени нагрузки способа-прототипа.
Заявляемый способ успешно апробирован на группе из 126 студентов. Наблюдалось совпадение оценок работоспособности заявляемым способом с оценками, полученными способом-прототипом. Время обследования сокращалось в 3-4 раза. Интенсивность нагрузки уменьшалась и не превышала интенсивность второй ступени нагрузки способа-прототипа.
Источники информации
1. Карпман В.Л., Белоцерковский З.Б., Гудков И.А. Тестирование в спортивной медицине. М.: ФиС, 1988. С. 21-117.
2. SU 876110 A1, 30.10.81, A61B 10/00.
3. SU 1380728 A1, 15.03.86, A61B 5/16.
4. SU 1266529 A1, 30.10.86, A61B 10/00.
5. SU 1445687 A1, 23.12.88, A61B 5/02.
6. SU 1602456 A1, 30.10.90, A61B 5/22 - прототип.
7. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М., Мир, 1980. С.447-501.