Сравнительный анализ параметров спирографии у пожарных и спортсменов под воздействием физической нагрузки

И. Ю. Шарабанова1, И. Г. Колодина2

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ СПИРОГРАФИИ

У ПОЖАРНЫХ И СПОРТСМЕНОВ

ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

1 Ивановский институт государственной противопожарной службы МЧС России

2 ГОУ ВПО Ивановская государственная медицинская академия Росздрава

Одним из значимых показателей адаптационных (функциональных) резервов организма является функция внешнего дыхания. Исследование функции внешнего дыхания у людей, профессия которых предъявляет повышенные требования к уровню развития и резервным возможностям физиологических систем, обеспечивающих организм кислородом, несомненно, имеет большое значение. Это позволяет выявлять проблемы и «слабые места» в состоянии здоровья, возникающие у людей при выполнении работ повышенной тяжести и в особых условиях. Известно, что заболевания органов дыхания у сотрудников ГПС МЧС России обусловливают нетрудоспособность более чем в 30% случаев. Установлено, что значительное количество спортсменов реагируют на физическую нагрузку неадекватно, что так же может привести к развитию патологических состояний.

У спортсменов высокой квалификации сформированы различные адаптационные механизмы, позволяющие увеличивать специальную и общую выносливость, но при этом могут нарушаться функции некоторых систем, в частности, функция внешнего дыхания, что ведет к снижению спортивных результатов. Внешнее дыхание вполне может лимитировать выносливость, вопреки мнению, что общая выносливость находится в прямой зависимости только от кислородтранспортной способности крови, кар-диореспираторной производительности, мощности систем тканевого дыхания, степени васкуляризации мышц и совершенства регуляторных механизмов, обеспечивающих их адекватное кровоснабжение во время работы [1].

Цель исследования — провести сравнительный анализ показателей функции внешнего дыхания у спортсменов и выпускников института государственной противопожарной службы под воздействием физической нагрузки для оценки оптимальной функции легких, повышения толерантности к физической нагрузке.

Задачи исследования.

1. Определить особенности показателей функции внешнего дыхания в условиях повседневной деятельности.

2. Выявить изменения функции внешнего дыхания под влиянием физической нагрузки.

3. Дать оценку индивидуальных адаптационных резервов функции внешнего дыхания и, соответственно, применяемых тренирующих программ.

Практическая значимость.

1. Изучены индивидуальные адаптационные возможности функции внешнего дыхания у слушателей Ивановского института ГПС МЧС России последнего года обучения и спортсменов различной специализации.

© И. Ю. Шарабанова, И. Г. Колодина, 2010

2. Дана оценка применяемых во время обучения тренирующих программ.

Методы. В соответствии с целью и задачами исследование включало в себя следующие этапы:

1) выявление особенностей показателей функции внешнего дыхания в условиях повседневной деятельности слушателей;

2) оценку изменений и степени реактивности функции внешнего дыхания при влиянии экстремальных факторов профессиональной деятельности (на примере прохождения кросса в боевом снаряжении у пожарных) и под влиянием физической нагрузки субмаксимальной мощности у спортсменов (футбол, волейбол).

Исследования проводились на базе ГОУ ВПО «Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России» в научно-исследовательской лаборатории «Медицина катастроф». Всего обследовано 15 слушателей мужского пола ИвИ ГПС МЧС России пятого года обучения и 15 спортсменов-игровиков — (футбол и волейбол) среди мужчин. Средний возраст испытуемых 22 года, на момент обследования слушатели не предъявляли жалоб на состояние здоровья (все отнесены к группе здоровья № 1). Собирались анкетные данные: рост и вес слушателя, отношение к курению и регулярным физическим нагрузкам. Слушатели были обследованы после получения добровольного информированного согласия на проведение исследования, с соблюдением этических и правовых норм.

Оценка функции внешнего дыхания осуществлялась с использованием компьютерного спирометра пневмотахометрического типа «Спиро-Спектр» НМФ «Нейрософт» (г. Иваново). В положении сидя на нос испытуемых помещался зажим, а воздухоносные пути (ротовая полость) мундштуком соединялись со спирометром.

По словесным инструкциям лаборанта обследуемый совершал различные дыхательные маневры.

Для оценки изменений состояния функции внешнего дыхания проводилась запись спирограммы в спокойном состоянии. По спирограмме оценивались следующие показатели: частота дыхания (ЧД), дыхательный объем (ДО), минутный объем дыхания (МОД), жизненная емкость легких (ЖЕЛ), максимальная вентиляция легких (MBЛ), резервный объем вдоха (РО вд), резервный объем выдоха (РО выд), резерв дыхания (РД), показатель скорости движения воздуха (ПСДВ), форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ), объем форсированного выдоха за 1 секунду (ОФВ1), отношение объема форсированного выдоха за 1 секунду к форсированной жизненной емкости (ОФВ1/ФЖЕЛ), пиковая объемная скорость (ПОС).

Каждый показатель несет определенную информацию о состоянии аппарата внешнего дыхания, о его резервных возможностях.

Такие показатели, как ФЖЁЛ, ПОС и ОФВ1 относятся к «скоростным» показателям (так как для их определения необходима высокая скорость дыхания) и отражают они, прежде всего, проходимость дыхательных путей и силу экспираторных и инспи-раторных дыхательных мышц.

С практической точки зрения нецелесообразно устанавливать «единую» норму для таких показателей как ЖЁЛ и МВЛ, так как эти величины зависят от ряда факторов, в частности, от пола, возраста, размеров тела и степени тренированности. Поэтому для объективной оценки полученных показателей ЖЁЛ и МВЛ определялись должные значения, рассчитываемые с учетом пола, возраста, массы и роста курсантов.

На первом этапе обследование проводилось в условиях повседневной деятельности, при этом исключалось действие на организм эмоциональных и физических нагрузок, т. е. организм находился в состоянии эмоционального и физического покоя.

На втором этапе эксперимента перед определением показателей внешнего дыхания слушателями был пройден кросс (3 км) в полном боевом обмундировании (боевая одежда пожарных, каска, краги, пояс, АИР-317), что частично имитировало обстановку на пожаре, а спортсменами была выполнена физическая нагрузка субмаксимальной мощности.

В ходе эксперимента на каждого обследуемого составлялся протокол, в который включались сведения о пациенте, графическая информация, таблицы значений измеренных параметров и медицинских норм, а также текст автоматического заключения (имеется возможность произвольного изменения состава протокола).

Статистическая обработка полученных результатов проводилась методами вариационного анализа с помощью программы Microsoft Excel. Рассчитывались среднее арифметическое (X), среднее квадратическое отклонение (Sx), ошибка среднего (SX), достоверность различий (р) между выборками оценивалась при помощи t — критерия Стью-дента (парный и непарный) [2].

Результаты и их обсуждение. Проведен анализ всех измеренных показателей спирографии, определенных в покое (обозначено как первый этап эксперимента) и после нагрузки для всех обследованных лиц (30 человек) (обозначено как второй этап эксперимента) (табл. 1 и 2).

Значения ЖЁЛ у пожарных на первом этапе эксперимента составили в среднем 5,94±0,3 л. Так как с практической точки зрения нецелесообразно устанавливать «единую» норму для ЖЁЛ (ее величина зависит от ряда факторов, в частности, от пола, возраста, размеров тела и степени тренированности), то для объективной оценки полученных показателей определялись должные значения (ДЖЁЛ), рассчитываемые с учетом пола, возраста и роста (рис. 1).

Литры

8,00

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00

1,00

0,00

S3 ЖЕЛ Ш ДЖЁЛ

Рис. 1. Анализ ЖЁЛ на первом этапе эксперимента

Показатель ЖЁЛ

1 23456789 10

обследуемые

ДЖЁЛ слушателей противопожарного института равна 4,51+0,06 л. Сопоставление значений ЖЁЛ и ДЖЁЛ показало, что у всех ЖЁЛ соответствует норме и составляет в среднем 131,9+6,6% от ДЖЁЛ. Отличия между ЖЁЛ и ДЖЁЛ достоверны (р < 0,001).

Таким образом, анализ показателя ЖЁЛ, измеренного в отсутствии эмоциональных и физических нагрузок, показал, что для слушателей пятого года обучения характерно хорошее состояние легочной ткани и большая площадь дыхательной поверхности, нормальная подвижность грудной клетки и достаточно развитая сила дыхательных мышц.

Значения ЖЁЛ на втором этапе эксперимента составили в среднем 5,50+0,63 л. Отличие показателя от такового, полученного на первом этапе, не является достоверным. Для углубленного анализа вся выборка была разделена на группы в зависимости от направленности изменений ЖЁЛ на втором этапе эксперимента, по сравнению с первым этапом (рис. 2). В каждую группу вошло по 5 человек. При этом представляет интерес тот факт, что изначально в указанных группах наблюдаются достоверные различия (р < 0,05) между значениями ЖЁЛ, измеренными на первом этапе эксперимента: 5,28+0,41 л (117,02+8,21% от ДЖЁЛ) и 6,61+0,13 л (146,75+4,48% от ДЖЁЛ) соответственно для групп с увеличением (1 группа) и уменьшением ЖЁЛ (2 группа) на втором этапе эксперимента.

Литры

8 т

6 5 4 3 2 1 О

Группа 1 Группа 2

ш ЖЁЛ 1 этап нЖЁЛ2этап  ДЖЁЛ

Рис. 2. Анализ ЖЁЛ по группам в зависимости от изменения показателя после нагрузки

* р < 0,05 при сравнении ЖЁЛ 1 и 2 групп на первом этапе эксперимента; ' р < 0,05 при сравнении ЖЁЛ на первом и втором этапах эксперимента.

В группе, в которой наблюдалось повышение ЖЁЛ после нагрузки, показатель повысился с 5,28+0,41 л (117,02+8,21% от ДЖЁЛ) до 6,74+0,64 л (148,34110,67% от ДЖЁЛ), но изменения не являются достоверными. При этом ЖЕЛ стала достоверно выше ДЖЁЛ (р < 0,05), составляющего для указанных лиц 4,51+0,12 л.

В группе с уменьшением ЖЁЛ после нагрузки, показатель понизился с 6,61+0,13 л (146,75+4,48% от ДЖЁЛ) до 4,27+0,77 л (94,70+ 17,08% от ДЖЁЛ), указанные изме-

нения являются достоверными (р < 0,05). Таким образом, можно сделать вывод, что в группе с уменьшением показателя на втором этапе эксперимента изначально имеются более высокие значения ЖЁЛ и, наоборот: в группе с увеличением показателя на втором этапе эксперимента изначально имеются более низкие значения ЖЁЛ.

Следовательно, анализ изменений показателя ЖЁЛ обследованных лиц на втором этапе эксперимента позволяет предположить, что мышечная нагрузка, применяемая в качестве моделирования нагрузки в реальных условиях пожара, является адекватной не для всех испытуемых. У большинства слушателей наблюдается увеличение показателей, что согласуется с литературными данными, характеризующими изменения функционирования системы внешнего дыхания при долговременной адаптации к мышечным нагрузкам [3]. Однако, у половины обследованных слушателей, у которых наблюдается понижение показателей ЖЁЛ, мышечная нагрузка вызвала утомление дыхательных мышц, что не позволило совершить дыхательный маневр достаточной глубины. Таким образом, можно говорить о недостаточной степени адаптации указанных лиц к используемой нагрузке.

Аналогичным образом был проведен анализ показателя МВЛ. Значения МВЛ у слушателей на первом этапе эксперимента составили в среднем 194+11,15 л. Для объективной оценки полученных показателей определялись должные значения (ДМВЛ), рассчитываемые с учетом пола, возраста и роста.

ДМВЛ исследуемых составляет 148,30+3,29 л. Сравнение значений МВЛ и ДМВЛ показало, что у всех испытуемых МВЛ соответствует норме и составляет в среднем 132,01+9,92,6% от ДМВЛ. Отличия между MBЛ и ДМВЛ достоверны (р < 0,01). При этом у всех обследованных слушателей МВЛ значительно выше ДМВЛ.

Анализ показателя МВЛ, измеренного в отсутствии эмоциональных и физических нагрузок, показал, что для слушателей пятого года обучения характерно хорошее состояние легочной ткани, нормальная подвижность грудной клетки и достаточно развитая сила дыхательных мышц.

Значения МВЛ на втором этапе эксперимента составили в среднем 211,3+15,03 л (142,62+10,07% от ДМВЛ). Отличие показателя от такового, полученного на первом этапе, не является достоверным. Для углубленного анализа вся выборка была разделена на группы в зависимости от направленности изменений МВЛ на втором этапе эксперимента, по сравнению с первым этапом (рис. 3). В первой группе, в которой наблюдалось повышение МВЛ после нагрузки, показатель повысился с 184,86+5,86 л (121,9413,29% от ДМВЛ) до 231,0+16,04 л (153,24+12,34% от ДМВЛ), изменения являются достоверными (р < 0,05).

Во второй группе показатель понизился с 215,33+36,04 л (155,5+31,73% от ДМВЛ) до 165,33+8,95 л (117,84+4,31% от ДМВЛ), изменения не являются достоверными. При этом показатели в первой и второй группах на втором этапе эксперимента достоверно отличаются (р < 0,05).

Обращает на себя внимание различие в составе слушателей второй группы (с понижением показателя после нагрузки) для показателей ЖЁЛ и МВЛ — таким образом, получается, что у одних испытуемых нагрузка вызвала уменьшение ЖЁЛ, при этом МВЛ повышалась, и, наоборот — у других повышение ЖЁЛ сопровождалось уменьшением МВЛ, хотя для регистрации обоих показателей важную роль играет сила дыхательных мышц и можно предположить, что утомление этих мышц в результате прохождения кросса приведет к изменению обоих показателей.

Для показателя МВЛ большое значение имеет проходимость дыхательных путей, можно предположить, что у исследуемых второй группы она ухудшается, что подтвер-

Рис. 3. Анализ МВЛ по группам в зависимости от изменения показателя после нагрузки

* р < 0,05 при сравнении МВЛ на первом и втором этапах эксперимента; 9 р < 0,05 при сравнении МВЛ в группах на втором этапе эксперимента.

ждают и другие показатели, отражающие состояние дыхательных путей: ИТ (OФBl), ФЖЁЛ и ПОС. Происходит достоверное изменение OФBl с 5,53±0,18 л до 4,6±0,16 л (р < 0,05); ПОСВд снижается с 7,96±1,11 л/с до 3,17±1,10 л/с.

Скоростные показатели: ИТ, ПОС (на вдохе и выдохе) и ФЖЁЛ на первом этапе эксперимента показали их соответствие нормам, что говорит, в первую очередь, о хорошей проходимости дыхательных путей и развитии дыхательных мышц.

Сравнение скоростных показателей: ИТ, ПОС (на вдохе и выдохе) и ФЖЁЛ на первом и втором этапах эксперимента не показало достоверных отличий между ними (рис. 4). Показатели на первом и втором этапах эксперимента составили соответственно: ИТ 82,19±2,99% и 82,19+3,07%; ПОС (на выдохе) 11,96±0,54 л/с и 11,55±0,66 л/с; ПОС (на вдохе) 6,34±0,75 л/с и 5,29±0,80 л/с; ФЖЁЛ 81,95±3,07% и 82,70±3,47% от ЖЁЛ.

Анализируя полученные на двух этапах эксперимента результаты скоростных показателей, как и в случае ЖЁЛ и МВЛ, можно также наблюдать разнонаправленные изменения у разных испытуемых. Такие изменения показателей позволяют предположить, что у ряда испытуемых в большей степени происходит утомление мышц вдоха, у других — мышц выдоха, а у некоторых при этом наблюдается и уменьшение просвета дыхательных путей.

Представляется интересным тот факт, что изменение показателя на втором этапе эксперимента по сравнению с первым не зависит от того, курит обследуемый или нет. Однако очевидно, что лица, профессиональная деятельность которых выдвигает повышенные требования к уровню развития и резервным возможностям физиологических систем, обеспечивающих организм кислородом, должны иметь негативное отношение к курению.

На основании проведенного спирографического исследования спортсменов различ-

Рис. 4. Анализ скоростных показателей ИТ, ФЖЁЛ и ПОС на первом и втором этапах эксперимента

ной специализации можно сделать вывод о том, что у большинства из них наблюдаются адекватные приспособительные реакции системы внешнего дыхания, в частности, легочной вентиляции, на нагрузку субмаксимальной мощности (табл. 1).

У части спортсменов, которые были охарактеризированы как дезадаптированная группа, наблюдались другие изменения (табл. 2).

Полученные данные позволяют однозначно сделать вывод об ухудшении показателей ФВД преимущественно за счет снижения бронхиальной проходимости. Причинами, по нашему мнению, могут быть как дисрегуляция вегетативного тонуса с подавляющей активацией парасимпатического отдела вегетативной нервной системы, так и рефлекторное снижение проходимости бронхов в ответ на возможное уменьшение уровня сурфактанта в альвеолах, что наблюдается как следствие гипоксической активации процессов перекисного окисления липидов в ответ на нагрузку субмаксимальной мощности [4, 5].

Таблица 1. Изменение показателей ФВД под влиянием нагрузки субмаксимальной мощности у спортсменов

Показатели ФВД Субмаксимальная физическая нагрузка Процент увеличения

До После

мод 14,23±3,28 17,24±3,60 27

ЖЕЛ 5,08± 0,49 5,90 ±0,61 17

РОвд 2,26± 0,28 3,23±0,33* 50

РОвыд 1,50 ±0,31 1,76±0,32 19

МВЛ 152±14,81 165± 16,51 8

ОФВх 4,30 ±0,32 4,56±0,39 6

ОФВ/ФЖЕЛ 86,58±1,84 96,90±1,84* 13

ПОС 6,90±1,37 7,36±1,54 6

Таблица 2. Динамика снижения показателей ФВД под влиянием физической нагрузки у всех спортсменов

Показатели ФВД Субмаксимальная физическая нагрузка Процент уменьшения

До После

мод 14,34±1,50 12,89±1,40 12

ЖЕЛ 5,19±0,32 4,71±0,21 8

РО БД 3,10±0,28 2,49±0,18* 19

РО ВЫД 1,68±0,12 1,23 ±0,14* 30

мвл 135,18±9,84 119,36±8,23 12

ОФВх 3,70±0,31 3,57±0,32 8

ОФВ/ФЖЕЛ 85,23± 2,02 78,52±2,30* 9

ПОС 7,72±0,57 7,16±0,51 11

Примечание. * достоверное отличие результатов (* р < 0,05, ** р < 0,01, *** р < 0,001).

Таким образом, анализ всех показателей спирометрии, полученных на первом и втором этапах эксперимента, позволяет говорить о хорошем физическом развитии испытуемых: хорошее состояние легочной ткани, нормальная подвижность грудной клетки, достаточно развитая сила дыхательных мышц, хорошая проходимость дыхательных путей. Однако нагрузка, применяемая при обучении и воспроизводящая реальные профессиональные условия, показала, что не для всех пожарных и спортсменов она является адекватной: у некоторых она вызвала утомление дыхательных мышц и уменьшение проходимости дыхательных путей. Это свидетельствует о недостаточной степени тренированности именно к тем нагрузкам, которые применяются в качестве тренирующих воздействий.

Полученные нами результаты свидетельствуют, что оптимальным вариантом адаптации дыхательных путей в процессе тренировки является создание условий, когда физическая нагрузка переносится на фоне профилактики их обструкции. В результате исследований ФВД установлено, что после физической нагрузки выявляется лабильная обструкция, которая подтверждается сочетанием небольших сдвигов показателей маневра ФЖЕЛ при нормальных ОФВ1 и ПОСвыд, что указывает на поражение мелких дыхательных путей. Изменение этих показателей характеризует снижение устойчивости стенок мелких дыхательных путей к физической нагрузке у тренированных и нетренированных людей. Данные показатели могут быть использованы для оценки сохранения оптимальной функции легких, повышения выносливости дыхательной мускулатуры, повышения толерантности к физической нагрузке и способствовать улучшению результатов тренировочного процесса [6, 7].

Таким образом, показатели функции внешнего дыхания, определенные методом спирографии у слушателей института противопожарной службы и спортсменов в условиях повседневной деятельности, отражают хорошее физическое развитие и тренированность испытуемых.

Экстремальные факторы профессиональной деятельности (прохождение кросса в боевом снаряжении и влияние физической нагрузки субмаксимальной мощности) оказывают разнонаправленное влияние на показатели внешнего дыхания, что позволяет судить о недостаточной адаптированности обследованных именно к особенностям профессиональной нагрузки, что привело к развитию утомления дыхательных мышц и уменьшению проходимости дыхательных путей.

На основании проведенного анализа параметров спирографии у пожарных и спортсменов были описаны как адаптивные реакции со стороны внешнего дыхания на нагруз-

ку субмаксимальной мощности, которые проявляются в увеличении минутного объема дыхания, жизненной емкости легких, резервных объемов вдоха и выдоха, максимальной вентиляции легких, объема форсированного выдоха за 1 секунду, пиковой объемной скорости, отношения объема форсированного выдоха за 1 секунду к форсированной жизненной емкости, так и дезадаптированные, проявляющиеся в уменьшении этих показателей вследствие нарушения бронхиальной проходимости, обусловленной, возможно, гипоксической активацией перекисного окисления липидов, что приводит к дефициту сурфактанта, который играет значительную роль в снижении поверхностного натяжения жидкости и препятствует ателектазу альвеол.

Установлено, что легочной вентиляции вполне достаточно для обеспечения высокого уровня максимального потребления кислорода, кроме того, достигнув его, легочная вентиляция может продолжать увеличиваться, а показатель максимального потребления кислорода остается на том же уровне или несколько снижается, за исключением факторов, способствующих нарушению нормальной механики дыхания.

Оптимальным вариантом адаптации дыхательных путей в процессе тренировки является создание условий, когда физическая нагрузка переносится на фоне профилактики их обструкции. В результате исследований установлено, что после физической нагрузки выявляется лабильная обструкция, которая подтверждается сочетанием небольших сдвигов показателей маневра ФЖЕЛ при нормальных ОФВ1 и ПОСвыд, что указывает на поражение мелких дыхательных путей. Изменение этих показателей характеризует снижение устойчивости стенок мелких дыхательных путей к физической нагрузке у тренированных и нетренированных людей. Данные показатели могут быть использованы для оценки сохранения оптимальной функции легких, повышения выносливости дыхательной мускулатуры, повышения толерантности к физической нагрузке и способствовать улучшению спортивных результатов.

Литература

1. Гончаров С. Ф. Перспективы развития восстановительной медицины лиц опасных профессий // Вестн. восстановительной медицины. 2002. №2. С. 5-6.

2. Лакин Г. Ф. Биометрия. М., 1980. 293 с.

3. Костюк П. Г. Физиология адаптационных процессов. М.: Наука, 1986. 636 с.

4. Айдаралиев А. А. Адаптация человека к экстремальным условиям. Л.: Наука, 1988. 265 с.

5. Меерсон Ф.З., Пшенникова М. Г. Адаптация к стрессовым ситуациям и физическим нагрузкам. М.: «Медицина», 1988. 256 с.

6. Похачевский А. Л. Определение объективного критерия выносливости для диагностики здоровья здоровых // Вестн. восстановительной медицины. 2008. №5 (27). С. 93-97.

7. Соколов А. В. Диагностические технологии восстановительной медицины: достигнутые результаты и перспективы развития // Вестн. восстановительной медицины. 2008. №5 (27). С. 4-9.

Статья поступила в редакцию 21 декабря 2009 г.