СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА АЭРОБНО-АНАЭРОБНОГО ПЕРЕХОДА ПО ЗАВИСИМОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ДЕЗОКСИГЕНИРОВАННОЙ ФОРМЫ ГЕМОГЛОБИНА В МЫШЦЕ ОТ ЕЕ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВО ВРЕМЯ ТЕСТА С ЛИНЕЙНО ВОЗРАСТАЮЩЕЙ МОЩНОСТЬЮ НАГРУЗКИ
METHOD FOR DETERMINING MOMENT OF AEROBIC-ANAEROBIC TRANSITION BY DEPENDENCE OF CONTENT OF DEOXYGENATED FORM OF HAEMOGLOBIN IN MUSCLE ON ITS ELECTROMYOGRAPHIC ACTIVITY DURING TEST WITH LINEARLY INCREASING LOAD POWER

Изобретение относится к области медицинской диагностики и предназначено для использования в спорте и восстановительной медицине для определения мощности нагрузки на пороге анаэробного обмена (ПАНО) с целью оценки аэробной работоспособности испытуемого и определения оптимального уровня индивидуальной тренировочной нагрузки при проведении спортивно-оздоровительных и реабилитационных тренировок. Для определения мощности на ПАНО используется зависимость изменения содержания дезоксигенированной формы гемоглобина (HHb) в работающей мышце от ее электромиографической активности во время выполнения теста с линейно возрастающей мощностью нагрузки и сглаженная динамика изменения интенсивности ЭМГ.
Для повышения эффективности спортивно-оздоровительных аэробных тренировок и предупреждения негативных последствий перетренированности тренировочная нагрузка должна задаваться с учетом функциональных возможностей человека. Индивидуальный уровень нагрузки должен определяться по результатам специально проводимых процедур тестирования, во время которых регистрируются изменения физиологических показателей в ответ на аэробную нагрузку заданной интенсивности.
Для оценки аэробных возможностей обычно используются тесты со ступенчато или линейно повышающейся нагрузкой. Такие тесты позволяют оценить реакцию организма во всем диапазоне нагрузок – от минимальной до максимальной. Оба способа задания нагрузки широко используются при тестированиях [1]. В результате такого тестирования определяются не только максимальные показатели, характеризующие аэробную работоспособность, например максимальное потребление кислорода (МПК), но также оценивается мощность нагрузки, при которой наблюдается аэробно-анаэробный переход, т.е. когда в энергообеспечение мышечной работы начинают активно включаться анаэробные процессы. В начале теста, при минимальной мощности, активируются преимущественно низкопороговые двигательные единицы, состоящие из оксидативных мышечных волокон I типа. С увеличением мощности, когда сократительных возможностей этих волокон уже не хватает для поддержания такого уровня нагрузки, в работу вовлекаются более высокопороговые двигательные единицы, то есть включаются волокна типа IIA и IIХ. Ресинтез аденозинтрифосфата в таких волокнах идет в значительной степени за счет реакций гликолиза, конечными продуктами которых являются ионы водорода и лактат. Поэтому при мышечной работе высокой мощности происходит значительное повышение концентрации ионов водорода и лактата в мышце. Метаболиты, накапливающиеся в мышечных волокнах, постепенно переходят в кровь и изменяют динамику системных физиологических показателей, по которой обычно и определяют мощность, соответствующую порогу аэробно-анаэробного обмена (ПАНО). Следует отметить, что в качестве показателя аэробной работоспособности мощность на ПАНО по сравнению с максимальными показателями обладает рядом преимуществ: ее величина более тесно коррелирует с текущим уровнем аэробной работоспособности [1] и, кроме того, для ее определения не требуется проведения предельных тестов. Последнее обстоятельство особенно важно в восстановительной медицине при тестировании больных с целью определения оптимальных нагрузок при проведении реабилитационных тренировок, а также при тестировании высококвалифицированных спортсменов в соревновательный период.
Чаще всего оценку мощности, соответствующей ПАНО в тесте с линейно возрастающей нагрузкой, осуществляют путем анализа динамики системных  физиологических показателей [1, 2]:
• накопления содержания лактата в крови. По развиваемой испытуемым мощности, при которой концентрация лактата достигает определенного уровня, определяют аэробный порог, лактатный порог, порог анаэробного обмена. Так, например, считается, что при работе большой мышечной массы ПАНО достигается при концентрации лактата в крови 4 мМ [2, 3, 4]. Основным недостатком этого метода определения аэробно-анаэробного перехода является его инвазивность – во время тестирования необходимо брать пробы крови для измерения концентрации лактата. Причем если при работе большой мышечной массы достаточно  брать кровь из пальца, то при сокращениях небольших мышц, когда концентрация лактата в капиллярной крови практически не изменяется, требуется при помощи катетеризации брать пробы из вены, по которой из работающей мышцы оттекает кровь.
• легочной вентиляции и показателей газообмена, по которым определяют вентиляторный порог, точку респираторной компенсации и другие показатели, также отражающие аэробную работоспособность человека [5]. Следует отметить, что экспериментальная регистрация динамики этих физиологических показателей является относительно простой в методическом отношении процедурой, однако определение момента  аэробно-анаэробного перехода представляет достаточно сложную проблему, поскольку для этого обычно требуется найти положение особых точек (точек перегиба, точек, в которых наблюдается отклонение от линейности, и т.д.)  на динамической кривой. На практике следствием этого является низкая точность определения искомых величин, трудности сопоставления этих величин, полученных разными авторами с помощью отличающихся алгоритмов обработки экспериментальных данных. Кроме того, такой подход также возможен лишь при «глобальной» мышечной работе, в которую вовлечена большая мышечная масса.
Для оценки мощности, соответствующей ПАНО, можно использовать также «локальные» показатели, характеризующие состояние основной работающей мышцы и системы ее кровоснабжения во время работы. Так, в работе [6] предлагается определять мощность, на которой происходит аэробно-анаэробный переход в тесте с возрастающей нагрузкой, по отклонению от линейности сигнала поверхностной ЭМГ. Недостатком этого метода является недостаточная точность, причиной этого являются неизбежные низкочастотные флуктуации электромиографического сигнала, особенно при сложных движениях, которые обеспечиваются сокращениями большой группы различных мышц. Эти флуктуации объясняются тем, что поверхностная ЭМГ отражает сократительную активность лишь небольшого объема одной из работающих мышц. При увеличении нагрузки может изменяться техника выполнения движений – нагрузка может «перераспределяться» по мышцам (или даже по отдельным участкам работающих мышц), давая им возможность поочередно «отдохнуть».
Наиболее близким аналогом является способ определения анаэробного порога в тесте с линейно возрастающей нагрузкой по максимуму на динамической кривой, отражающей изменения отношения содержания гемоглобина в работающей мышце к интенсивности ее ЭМГ-активности [Патент РФ на изобретение  № 2491886 «Способ определения мощности нагрузки аэробно-анаэробного перехода по электромиограмме и данным ИК-спектроскопии работающей мышцы» от 10.09.2013 г. Авторы: Кузнецов С.Ю., Попов Д.В., Боровик А.С., Виноградова О.Л.].
Содержание гемоглобина в мышечной ткани измеряется с помощью специализированного ИК-спектрометра, датчик которого располагается рядом с ЭМГ-электродами. Основным недостатком такого подхода также является низкая точность. Причиной недостаточной точности определения мощности на ПАНО также являются низкочастотные флуктуации измеряемых величин, особенно заметные на динамике их отношения. Кроме того, следует отметить, что аэробно-анаэробный переход при увеличении мощности нагрузки не является одномоментным событием, процесс вовлечения анаэробных механизмов энергообеспечения мышечных сокращений растянут во времени, вследствие чего наблюдаемый пик на динамической кривой достаточно размыт, что также сказывается на точности определения положения максимума.
Заявленный способ определения мощности на ПАНО основан на анализе зависимости содержания дезоксигенированной формы гемоглобина в работающей мышце от ее ЭМГ-активности во время теста с линейно возрастающей мощностью нагрузки. Поскольку в питающей мышцу артериальной крови практически весь гемоглобин находится в оксигенированном состоянии, концентрация дезоксигемоглобина в мышечной ткани отражает интенсивность потребления кислорода мышцей. При постепенном увеличении интенсивности мышечных сокращений содержание дезоксигемоглобина растет, причем это происходит параллельно с увеличением ЭМГ-активности. Начиная с некоторой мощности нагрузки, аэробных возможностей мышцы становится недостаточно для выполнения мышечной работы заданной интенсивности и в работу включаются двигательные единицы с анаэробным энергообеспечением. При дальнейшем увеличении мощности нагрузки ЭМГ-активность продолжает расти, тогда как содержание дезоксигемоглобина выходит на плато, уровень которого отражает максимальную аэробную работоспособность исследуемой мышцы (см. Фиг.А). На Фиг.(А) видно, что в начале теста, при относительно низкой мощности мышечных сокращений, содержание дезоксигемоглобина в мышечной ткани растет пропорционально ее ЭМГ-активности, тогда как при дальнейшем увеличении мощности оно остается практически на одном уровне. Переход из чисто аэробного режима мышечных сокращений в аэробно-анаэробный отчетливо виден на графике, по точке пересечения двух прямых, аппроксимирующих начальный и конечный участки графика можно определить интенсивность ЭМГ-активности, при которой происходит этот переход.  На Фиг.Б показан график изменения ЭМГ-активности во время выполнения теста. Сглаженная кривая показывает динамику изменения ЭМГ без низкочастотных флуктуаций. По этой «идеализированной» динамике можно определить момент времени, когда интенсивность ЭМГ соответствует величине, определенной по точке пересечения аппроксимирующих прямых на верхнем графике. Поскольку при выполнении теста мощность нагрузки с течением времени линейно возрастает, легко вычислить мощность, при которой наблюдается аэробно-анаэробный переход.
Поскольку низкочастотные флуктуации интенсивности ЭМГ и содержания дезоксигенированной формы гемоглобина в исследуемом участке мышечной ткани, связанные с «перераспределением» нагрузки на отдельные мышцы или отдельные участки одной и той же мышцы во время выполнения теста, происходят согласованно, такой алгоритм позволяет более точно определять мощность на ПАНО по сравнению с методом, описанным в [7].
Техническим результатом заявленного изобретения является то, что во время выполнения теста c линейно возрастающей нагрузкой определяется момент аэробно-анаэробного перехода, а следовательно, и мощность нагрузки, при которой происходит этот переход, используя зависимость концентрации дезоксигемоглобина в работающей мышце от интенсивности ее ЭМГ-активности и динамику изменений ЭМГ во время теста; описываемый способ позволяет оценить аэробную работоспособность как организма в целом – при работе с участием большой группы мышц, так и отдельных мышц небольшой массы, в том числе в режиме on-line; описываемый способ является неинвазивным и простым методически и, кроме того, не требует выполнения теста до полного отказа испытуемого от работы.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ определения мощности нагрузки в момент аэробно-анаэробного перехода при выполнении теста с линейно возрастающей нагрузкой основан на определении величины интенсивности ЭМГ, отвечающей положению точки перегиба на кривой, которая отражает зависимость усредненного значения содержания дезоксигенированной формы гемоглобина в мышечной ткани, измеряемой с помощью ИК-спектроскопии, от усредненного значения ее ЭМГ-активности, причем точка перегиба определяется по точке пересечения двух прямых, аппроксимирующих начальный и конечный участки этой кривой; на сглаженной кривой, отражающей динамику ЭМГ-активности во время выполнения теста, определяется время с начала теста, когда интенсивность ЭМГ соответствует значению, вычисленному по точке перегиба; мощность нагрузки в этот момент времени соответствует мощности, при которой происходит аэробно-анаэробный переход (см. Фиг.).
Краткое описание чертежей
На Фиг. показаны графики, иллюстрирующие алгоритм определения аэробно-анаэробного перехода по динамике изменения интенсивности ЭМГ и содержания HHb во время теста с линейно возрастающей мощностью нагрузки при работе мышц плечевого пояса. Датчики для определения ЭМГ-активности и содержания дезоксигемоглобина в мышечной ткани установлены в одной и той же области  широчайшей мышцы спины (Испытуемый К.).
А – зависимость усредненных значений нормированной величины изменения HHb от интенсивности нормированной ЭМГ (жирные линии – линейная аппроксимация начальных и конечных участков графика); Б – изменение нормированной ЭМГ в течение теста (жирная линия – аппроксимация полиномом пятого порядка).
Осуществление изобретения
Для верификации предлагаемого способа определения мощности на ПАНО были проведены экспериментальные исследования, в которых для каждого из испытуемых эта величина определялась дважды: один раз с использованием предлагаемого метода, второй раз – по содержанию лактата в крови. Для определения мощности на ПАНО лактатным методом во время теста через каждые 2 минуты у испытуемых брали пробу (20 мкл) крови из пальца для измерения концентрации лактата (анализатор SuperGLeasy+, Dr Mueller GmbH, Германия). Мощность на ПАНО определяли как мощность нагрузки, при которой концентрация лактата достигала 4 мM. Вычисленное таким образом значение мощности на ПАНО сравнивали со значением, полученным с помощью предлагаемого метода.
Измерение мощности на ПАНО при велоэргометрической работе
HHb
La
Молодые, физически активные мужчины (22 человека) с различным уровнем аэробной работоспособности выполняли тест на электромагнитном велоэргометре Ergoselect 200 (Ergoline GmbH, Германия) с линейно возрастающей мощностью нагрузки (скорость нарастания – 15 Вт/мин) до отказа от продолжения работы. Во время теста у испытуемых непрерывно регистрировали поверхностную ЭМГ и содержание дезоксигемоглобина в этой мышце, измеряемое с помощью ИК-спектроскопии (спектрометр NIRO-200, Hamamatsu Photonics, Япония), причем хлорсеребряные накожные ЭМГ-электроды крепились на коже над срединной частью m. vastus lateralis рядом с датчиком ИК-спектрометра.  Результаты измерений показали, что между мощностью на ПАНО, измеренной с помощью предлагаемого метода (W), и этой величиной, полученной лактатным методом (W), наблюдается статистически значимая корреляция (R = 0,87, p<0,01), причем усредненное по группе испытуемых отношение .
Измерение мощности на ПАНО при работе мышц плечевого пояса
HHb
La
Группа молодых, физически активных мужчин (9 человек) с различным уровнем аэробной работоспособности выполняли тест с линейно возрастающей нагрузкой до отказа на модифицированном лыжном тренажере SkiErg (Concept2 Inc. США). Во время теста испытуемые имитировали одновременный бесшажный лыжный ход. Мощность, развиваемая испытуемым в каждом движении, отображалась в виде графика на экране установленного перед ним планшета одновременно с заданным профилем изменения нагрузки. Таким образом, испытуемый в каждый момент времени мог соотносить свои мышечные усилия с мощностью, определяемой протоколом тестирования. ЭКГ-электроды и оптические датчики ИК-спектрометра располагались рядом на срединной части широчайшей мышцы спины. В случае работы мышц плечевого пояса мощность на ПАНО, измеренная с помощью предлагаемого метода (W), также хорошо коррелирует с полученной лактатным методом (W)  (R = 0,93, p<0,01); причем усредненное по группе испытуемых отношение .
Таким образом, проведенные измерения показали, что мощность на ПАНО, определенная предлагаемым способом, хорошо коррелирует с величиной этой мощности, полученной с помощью «золотого стандарта» – по изменению концентрации лактата в крови. Следует также отметить, что обычно величина мощности на ПАНО, определенная с помощью одного и того же выбранного способа, используется как ориентир для определения индивидуальной нагрузки при проведении спортивно-оздоровительных или реабилитационных тренировок и для отслеживания динамики изменений аэробной работоспособности человека в результате проведенных тренировок с целью корректировки тренировочной нагрузки. Поэтому некоторые расхождения в величинах мощности на ПАНО, определяемых различными способами, на практике не имеют значения.
Предлагаемый способ определения момента (а следовательно, и соответствующей этому моменту мощности нагрузки) аэробно-анаэробного перехода в тесте с непрерывно повышающейся нагрузкой по точке перегиба на зависимости содержания дезоксигенированной формы гемоглобина в работающей мышце, определяемой с помощью ИК-спектрометрии, от ее ЭМГ-активности является методически простым, способ не предполагает инвазивных процедур, связанных с взятием проб крови, может использоваться в режиме on-line. Кроме того, с помощью предлагаемого способа можно определять аэробную работоспособность отдельных мышц небольшой массы, сокращение которых практически не меняет динамику системных показателей.
Источники информации
1. Попов Д.В., Виноградова О.Л. & Григорьев А.И. Аэробная работоспособность человека // Ин-т медико-биологических проблем РАН - М.: Наука. 2012.
2. Rusko H., Luhtanen P., Rahkila P., Viitasalo J., Rehunen S., Harkonen M. Muscle metabolism, blood lactate and oxygen uptake in steady state exercise at aerobic and anaerobic thresholds //Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol. 1986. V. 55. P. 181-186.
3. Beneke R. Maximal lactate steady state concentration (MLSS): experimental and modelling approaches // Eur. J. Appl. Physiol. 2003. V. 88. P. 361-369.
4. Faude O., Kindermann W., Meyer T. Lactate threshold concepts: how valid are they? // Sports Med. 2009. Vol. 39. № 6. P. 469–490.
5. Попов Д.В., Нетреба А.И., Орлов О.И., Виноградова О.Л., А.И. Григорьев Оценка функционального состояния организма человека при решении задач массового спорта и спорта высоких достижений // Наука о спорте. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. Издательство ЮНЕСКО, EOLSS, Магистр-Пресс. 2011. С. 320-354.
6. Коряк Ю.А. Нейромышечные изменения под влиянием семисуточной механической разгрузки мышечного аппарата у человека // Фундаментальные исследования. 2008. № 9. С. 8-21.