СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ МОМЕНТА АЭРОБНО-АНАЭРОБНОГО ПЕРЕХОДА ПО ЭЛЕКТРОМИОГРАММЕ И ДАННЫМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ РАБОТАЮЩЕЙ МЫШЦЫ
METHOD FOR ESTIMATING LOAD STRENGTH WITH SPECIFYING MOMENT OF AEROBIC-ANAEROBIC TRANSITION AS SHOWN BY ELECTROMYOGRAM AND WORKING MUSCLE IR-SPECTROSCOPY FINDINGS

Изобретение относится к медицинской диагностике и может быть использовано в спорте и восстановительной терапии для определения аэробно-анаэробного перехода по электромиограмме и данным ИК-спектроскопии работающей мышцы.
Известно, что энергообеспечение длительной мышечной работы (более 5 минут) идет преимущественно аэробным путем [1, 2]. В связи с этим оценка интенсивности аэробных процессов во время работы является основным показателем работоспособности человека, который широко используется в спорте и в восстановительной медицине для диагностики функционального состояния и подбора оптимальной нагрузки при проведении спортивных и реабилитационных тренировок. Для определения физической работоспособности обычно используют тест с возрастающей нагрузкой. В результате такого тестирования определяются максимальные показатели, характеризующие производительность кардиореспираторной системы, такие как максимальное потребление кислорода (МПК) и максимальный сердечный выброс (МСВ), а также оценивается мощность нагрузки, при которой наблюдается аэробно-анаэробный переход, т.е. когда в энергообеспечение мышечной работы начинают активно включаться анаэробные процессы.
Для оценки мощности, при которой происходит аэробно-анаэробный переход в тесте с линейно возрастающей нагрузкой, обычно используют системные физиологические показатели [1, 2]:
1. Динамику накопления концентрации лактата (молочной кислоты) в крови, по которой определяют аэробный порог, лактатный порог, порог анаэробного обмена (ПАНО). Эти величины определяются по развиваемой испытуемым мощности, при которой концентрация лактата достигает определенного уровня. Так, например, считается, что при работе большой мышечной массы уровень ПАНО достигается при концентрации лактата в крови 4 мМ. Недостатком методик детектирования аэробно-анаэробного перехода в работающих мышцах по концентрации лактата является его инвазивность - необходимость взятия пробы крови (из пальца в случае работы большой мышечной массы). При сокращениях небольших мышц концентрация лактата в капиллярной крови практически не изменяется, для определения содержания лактата в мышечной ткани требуется катетеризация вены, по которой происходит отток крови из работающей мышцы - сложная и небезопасная процедура. Вообще говоря, концентрацию лактата в мышечной ткани можно определять с помощью ЯМР-спектроскопии, однако этот способ требует дорогостоящих, уникальных приборов (МР-томографы с спектроскопическими приставками и, кроме того, обеспечивающие возможность выполнения мышечной работы во время измерений).
2. Динамику легочной вентиляции и показателей газообмена, с помощью которых определяют вентиляторный порог, точку респираторной компенсации и др. показатели, также отражающие аэробную работоспособность человека. Следует отметить, что экспериментальная регистрация динамики этих физиологических показателей является достаточно 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 обсчета. Кроме того, для определения величин, характеризующих момент аэробно-анаэробного перехода, необходимо анализировать всю кривую, описывающую изменения выбранных физиологических показателей в тесте с линейно возрастающей мощностью нагрузки, причем особенно важным для анализа является заключительный период теста, когда испытуемый выполняет мышечную работу с мощностью, близкой к предельной. Следует отметить, что выполнение испытуемым предельной работы не всегда возможно (тестирование больных с сердечно-сосудистыми нарушениями для определения индивидуальных нагрузок, оптимальных для проведения реабилитационных тренировок, тестирование высококвалифицированных спортсменов в соревновательный период и т.д.). Кроме того, такой подход также возможен лишь при «глобальной» мышечной работе, в которую вовлечена большая мышечная масса.
Некоторые авторы [3] предлагают использовать для определения мощности, на которой происходит аэробно-анаэробный переход в тесте с возрастающей нагрузкой, сигнал поверхностной ЭМГ. Недостатком метода являются большие флуктуации электромиографического сигнала, а также сильная зависимость точности этого метода от длительности участка записи выше точки аэробно-анаэробного перехода. Необходимо учитывать, что интенсивность ЭМГ-активности при линейном увеличении мощности нагрузки возрастает неравномерно, что приводит к значительным ошибкам при определении аэробно-анаэробного перехода по точке перегиба.
Для неинвазивной регистрации процессов, связанных с развитием мышечного утомления, часто используется метод инфракрасной спектрометрии, предоставляющий показатели, характеризующие оксигенацию мышечной ткани. В частности, известно, что по содержанию гемоглобина определяют кровенаполнение мышечной ткани, а изменение концентрации дезоксигенированной формы гемоглобина в работающей мышце отражает потребление кислорода активными мышечными волокнами (MB).
Техническим результатом заявленного изобретения является то, что во время выполнения теста с линейно возрастающей нагрузкой обеспечивается устойчивая регистрация слабого сигнала поверхностной ЭМГ работающей мышцы и измерение содержания различных форм гемоглобина в ней, что позволяет определять момент аэробно-анаэробного перехода по динамике регистрируемых показателей в том числе в режиме on-line, метод не требует выполнения теста при мощностях нагрузки, близких к предельным, обеспечивает возможность оценки момента аэробно-анаэробного перехода в отдельных мышцах небольшой массы, сокращение которых даже на максимальной мощности не ведет к заметным изменениям системных физиологических показателей, кроме того, является методически простым и не требует инвазивных процедур, связанных с взятием проб крови у испытуемого.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ определения мощности нагрузки, при которой в энергообеспечение мышечной работы при выполнении теста с линейно возрастающей нагрузкой начинают активно включаться анаэробные процессы, отличающийся тем, что момент аэробно-анаэробного перехода определяется по положению максимума на кривой, отражающей динамику изменения отношения интенсивности поверхностной электромиограммы или ее высокочастотной составляющей к концентрации гемоглобина в работающей мышце, измеряемой с помощью ИК-спектроскопии.
В предлагаемом способе определения момента аэробно-анаэробного перехода в тесте с линейным возрастанием мощности нагрузки помимо сигнала ЭМГ, отражающего процесс рекрутирования двигательных единиц (ДЕ), используется полученная методом ИК-спектроскопии информация об изменении концентрации гемоглобина в работающей мышце. Момент аэробно-анаэробного перехода определяется по положению максимума на сглаженной кривой отношения концентрации гемоглобина к интенсивности ЭМГ, определяемой по среднеквадратичной амплитуде сигнала. Вместо нативного сигнала ЭМГ можно использовать его высокочастотную составляющую (f>75 Гц), что представляется важным с практической точки зрения, поскольку отсекаются низкочастотные артефакты, связанные с изменением геометрии мышцы при ее сокращении, а также наводки промышленной частоты, которые зачастую являются основным препятствием для устойчивой регистрации слабого сигнала поверхностной ЭМГ. Предлагаемый подход не требует выполнения всего теста для анализа полученной динамической кривой, а следовательно, этот метод определения можно использовать в режиме on-line. Кроме того, эта методика пригодна и для оценки момента аэробно-анаэробного перехода в отдельных мышцах, сокращение которых даже на максимальной мощности не ведет к заметным изменениям системных физиологических показателей.
На Фиг.1 представлена полученная экспериментально динамика изменения интенсивности ЭМГ одного из испытуемых в тесте с линейно возрастающей (15 Вт/мин) мощностью нагрузки на велоэргометре (жирной линией показана сглаженная кривая, использующаяся для определения момента аэробно-анаэробного перехода). Видно, что, несмотря на линейное увеличение мощности, интенсивность ЭМГ возрастает нелинейно. Особенно сильно это проявляется в конце теста, когда в работу включаются высокопороговые двигательные единицы. Очевидно, что на такой кривой достаточно трудно определить точку перегиба - момент, соответствующий аэробно-анаэробному переходу.
На Фиг.2 показано, как во время теста у того же испытуемого изменяется концентрация гемоглобина [cHb] в работающей мышце. Разброс значений [cHb] отражает ее изменения в течение одного цикла движения, (жирной линией отображена сглаженная кривая). Как отмечалось выше, этот показатель отражает кровенаполнение работающей мышцы. Видно, что в конце теста наблюдается постепенное отклонение динамики [cHb] от монотонного возрастания, кривая выходит на плато, отмечается даже некоторое снижение этого показателя. Такую динамику, по-видимому, можно объяснить усилением сосудосуживающих влияний со стороны симпатической нервной системы, вызванных активацией хеморецепторов в работающей мышце вследствие накопления в ней продуктов метаболизма (метаборефлекс). Как и в случае ЭМГ, по одной такой кривой зачастую также сложно определить мощность, на которой происходит аэробно-анаэробный переход в тесте с возрастающей нагрузкой.
Видно, что динамика нелинейных участков на графиках, отражающих ЭМГ-активность и кровенаполнение работающей мышцы, в конце теста качественно отличается - концентрация гемоглобина выходит на плато или даже несколько снижается, тогда как интенсивность ЭМГ резко возрастает. Поэтому для определения момента аэробно-анаэробного перехода удобно использовать динамику отношения этих разнонаправленных показателей. На Фиг.3 представлена зависимость от мощности нагрузки отношения концентрации гемоглобина к среднеквадратичной амплитуде ЭМГ (динамика отношения концентрации гемоглобина в m.vastus lateralis к интенсивности ее ЭМГ-активности во время выполнения теста; для вычисления [cHb]/EMG использовались сглаженные кривые). Видно, что кривая имеет выраженный максимум.
ЭМГ/cHb
La
По положению максимума на этой кривой и определяется мощность, соответствующая аэробно-анаэробному переходу (ААП) в тесте с линейно возрастающей нагрузкой. Для подтверждения предлагаемого метода было проведено экспериментальное исследование, в котором молодые, физически активные испытуемые (10 человек) выполняли тест на велоэргометре с линейно возрастающей мощностью нагрузки (скорость нарастания - 15 Вт/мин) до отказа от продолжения работы. Во время теста у испытуемых непрерывно регистрировалась поверхностная ЭМГ (использовались хлорсеребряные накожные электроды, наложенные на срединную часть m. vastus lateralis) и содержание гемоглобина в этой мышце, измеряемое с помощью ИК-спектроскопии (спектрофотометр NIRO-200, Hamamatsu Photonics, Япония) (см. Фиг.1, Фиг.2). Кроме того, во время выполнения теста у испытуемых каждые две минуты бралась проба крови (20 мкл) из пальца для определения концентрации лактата (анализатор SuperGLeasy+, DrMuellerGmbH, Германия). Таким образом, мощность нагрузки, которая соответствует аэробно-анаэробному переходу определялась двумя способами: по концентрации лактата в капиллярной крови (ААП) - мощность, при которой концентрация лактата достигает 4 мМ [1], и по максимуму отношения [cHb]/ЭМГ. Между этими величинами была найдена статистически значимая корреляция (r=0.78, p<0.05), в среднем по группе испытуемых
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>А</mi><mi>А</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>H</mi><mi>H</mi><mi>b</mi><mo>/</mo><mi>Э</mi><mi>М</mi><mi>Г</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>А</mi><mi>А</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>L</mi><mi>a</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,96</mn><mo>±</mo><mn>0,10</mn></mrow>
Следует отметить, что переход от преимущественно аэробного обеспечения мышечного сокращения к аэробно-анаэробному не является одномоментным событием, этот переход регистрируется по плавным изменениям динамики некоторых физиологических показателей, которые тем или иным образом отражают изменения мышечного метаболизма. Мощность нагрузки, при которой регистрируется аэробно-анаэробный переход, может заметно различаться при использовании различных методик ее определения, однако это не является существенным недостатком, поскольку на практике обычно важно не абсолютное значение, а его изменение вследствие того или иного воздействия на организм человека. В спортивной и медицинской практике этот показатель аэробной работоспособности человека, измеренный с помощью одной и той же выбранной методики, обычно используется для определения эффективности проводимых спортивных или реабилитационных тренировок.
Предлагаемый способ оценки момента аэробно-анаэробного перехода в тесте с непрерывно повышающейся нагрузкой по интегральной интенсивности ЭМГ и данным ИК-спектроскопии работающей мышцы является методически простым и не требует инвазивных процедур, связанных с взятием проб крови у испытуемого. Кроме того, к достоинствам предлагаемого способа следует отнести возможность определения с его помощью момента аэробно-анаэробного перехода в небольших мышцах.
Источники информации
1. Kindermann W, Simon G, Keul J. The significance of the aerobic-anaerobic transition for the determination of work load intensities during endurance training. Eur J AppI Physiol Occup Physiol 1979; 42:25-34.
2. «Метод оценки аэробно-анаэробного перехода»
http://www.belmapo.by/downloads/sport_med/2011/sport/14.doc
3. Коряк Ю.А. Нейромышечные изменения под влиянием семисуточной механической разгрузки мышечного аппарата у человека // Фундаментальные исследования. - 2008. - №9 - С.8-21 URL: http://www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=7781229, http://www.rae.ru/fs/pdf/2008/9/1.pdf