Определение производительности сердца при выполнении ступенчатого теста

Селуянов В. Н., Орел В. Р.

Характер изменения зависимости «ЧСС — мощность» многообразен. Можно выделить несколько типов (В. Л. Карпман с соав., 1974):

— линейного увеличения до момента отказа от работы (соответствует максимальному потреблению кислорода — МПК), рис. 1, а;

— линейного увеличения на начальных ступеньках, затем на графике отмечается перелом и скорость нарастания ЧСС становится выше, зависимость остается также линейной, рис. 1, b;

— линейного увеличения ЧСС до уровня 70–80 % МПК, а затем зависимость плавно наклоняется вправо, прирост ЧСС замедляется и затем прекращается, рис. 1, c;

— линейного увеличения в начале, затем наблюдается перелом, прирост пульса увеличивается, а перед отказом вновь наблюдается снижение прироста ЧСС, рис. 1, d.

Рис.1. Типы зависимостей «ЧСС-мощность» при выполнении ступенчатого теста.

Очевидно, что отклонения от линейной зависимости обусловлены физиологическими закономерностями. Наиболее изученным к настоящему времени является отклонение от линейной зависимости при достижении мощности МПК. Conconi et al.(1982) предположили, что на графиках «c» и «d» отклонение от линейной зависимости вправо (HR deflaction point — HRDP) связано с накоплением лактата.

Conconi et al. предположили, что с накоплением лактата, на уровне анаэробного порога начинает увеличиваться ударный объем сердца (SV) при выполнении ступенчатого теста. В дальнейшем было замечено Jones AM., Doust JH. (1995), что у детей HRDP не находится. Hofman et al., (1997), что у квалифицированных спортсменов HRDP встречается в 85 % случаев. Pierre-Marie Lepretre et al.(2005) предположили, что у высококвалифицированных спортсменов SV увеличивается до момента отказа от выполнения ступенчатого теста. В результате эксперимента им удалось установить, что в группе с ранним появлением HRDP (50–70 % МПК) SV увеличивается и стабилизируется при ЧСС 140–150 уд/мин. В группе с поздним появлением HRDP
(70–90 % МПК) SV растет постепенно и резко начинает увеличиваться только к концу ступенчатого теста, однако ЧСС составляет не более 175–185 уд/мин. В целом же спортсмены были с малыми величинами ударного объема (145–155 мл) и минутным объемом кровообращения (Q_max = 30–32 л/мин).

Таким образом, эксперимент не подтвердил гипотезы и причина в изменении ударного объема сердца скорее лежит не в изменении концентрации лактата, а ионов водорода в крови. Под действием ионов водорода образуется избыточный углекислый газ, который и приводит к стимуляции в продолговатом мозге центров управления дыханием и сердцем. При начальном увеличении концентрации лактата, на уровне аэробного порога (около 2 мМ/л) начинается активизация сердечно-сосудистой и дыхательно й систем. Растет ЧСС, начинает стабилизироваться ударный объем сердца. Однако, это влияние должно оказать существенное влияние при низкий величинах ЧСС, у слабо подготовленных атлетов, а у квалифицированных атлетов это влияние становится не сопоставимым с активацией, которая поступает от мышечных проприорецепторов при работе большой мощности и рекрутировании почти всех мышечных волокон. Поэтому при больших величинах ударного объема сердца, когда аэробный и анаэробные пороги появляются до ЧСС менее 150 уд/мин на кривой «ЧСС — мощность» можно зафиксировать два перелома ускорения ЧСС, которые соответствуют появлению аэробного и анаэробного порогов. Иначе говоря, начальному закислению крови (аэробный порог) и началу бурного накопления лактата и ионов водорода в крови (после 4 мм/л лактата в крови). От сюда следует, что реакция сердца зависит от совместного влияния, на центры управления продолговатого мозга, углекислого газа (хеморецепторы аортальной и синокаротидной зон аорты, (И. С. Бреслав, 1980 [2]) и афферентного потока импульсов от активных рабочих мышц (Г. П. Конради, 1980 [2]).

Представленная гипотеза позволяет объяснить все основные типы изменения зависимости «ЧСС — мощность» и на ее основе можно предложить корректный метод неинвазивного оценивания ударного объема сердца.

Обоснование методики неинвазивной оценки ударного объема сердца. Минутный объем кровообращения может быть определен по Фику:

Q= VO₂/(CO_{2 art} − CO_{2 ven}), где Q — минутный объем кровообращения, VO_{2 ven} — потребление кислорода в минуту,
CO_{2 art} и CO_{2 ven} — содержание кислорода в артериальной и венозной крови соответсвенно. Поскольку Q = SV×HR, то можно записать:

SV = VO₂/ (CO₂art − CO₂ven)/HR = VO₂/dCO₂/HR. (1)

По мере роста ЧСС степень поглощения кислорода мышцами растет, и достигает предельного значения при достижении максимального пульса. В практике можно принять, что максимальный минутный объем кровообращения наблюдается при ЧСС 190 уд/мин. Эту зависимость можно представить в виде гиперболической функции:

dCO₂ = 50×((HR/HRmax) 0,2 − 0,69). (2)

Потребление кислорода связано с механической мощностью педалирования на велоэргометре практически линейной зависимостью, поскольку коэффициент полезного действия (КПД) составляет 22–24 %. В этом случае на 74–78 Вт приходится один литр потребления кислорода. Подставим эти зависимости (2) в уравнение (1):

W/75 = SV×HR×50×((HR/190)0,2 − 0,69); (3)

SV = (W + Win)/HR×k×((HR/190)0,2 − 0,69). (4)

В случае покоя, когда внешняя мощность равна нулю, а метаболизм на уровне покоя связан с массой тела (MB), то к внешней мощности следует добавить внутреннюю мощность: Win = 0,3×MB

SV = (W +0,3×MB)×100/(HR×3,75×(( HR/190)0,2 − 0,69))

Методика

Для оценки точности разработанной методики определения ударного объема сердца были обследованы 97 спортсменов (мужчин) различных спортивных специализаций. Возраст 18–34 г. Измерение кардио-гемодинамики выполнялось в покое и при педалировании на велоэргометре. Показатели кровотока, а также ЧСС определялись с помощью программно измерительного комплекса «РЕОДИН» (НТС «Медас», Москва), основанного на методе импедансной плетизмографии (тетраполярной реографии центрального пульса). Величины ЧСС, ударного объема сердца SV, минутного объема МО крови определялисьв результате программной обработки 10 кардиоциклов из выделяемой дифференциальной реограммы. Необходимые величины артериального давления измерялись по методу Короткова.

Результаты

В результате обработки данных об изменении ЧСС, мощности. Были получены значения расчетного ударного объема сердца. Эти данные были сопоставлены с экспериментально определенными величинами ударного объема сердца при педалировании на велоэргометре с различной мощностью. В итоге были получены значения:

SV реальное = 133 мл, σ = 23 мл,

SV расчетное = 131,5 мл, σ = 21,2 мл.

Коэффициент корреляции составил 0,96 при р<0,001.

Обсуждение

Дополнительной проверки корректности разработанной методики оценки ударного объема — это проверка влияния формы кривой «ЧСС — мощность» на величину ударного объема. На рис. 2, 3, 4 представлены эти расчеты. Видно, что до уровня АнП ударный объем сердца вычисляется корректно. А в случае кривой типа «с» и «d» наблюдается рост ударного объема до момента достижения МПК. В последнем случае можно предположить, что механическая мощность после преодоления АнП развивается за счет метаболических источников не связанных с потреблением кислорода, за счет рекрутирования, например, гликолитических мышечных волокон. В гликолитических мышечных волокнах может быть разное количество митохондрий, поэтому при малом их количестве интенсивно нарастает концентрация ионов водорода и лактата, следовательно, ускоряется ЧСС, а при большом количестве митохондрий концентрация ионов водорода и лактата нарастает медленно, поэтому не наблюдается интенсивного прироста ЧСС. В этом случае наблюдается форма кривой типа «в» или «с». В связи с этим можно констатировать, что разработанная методика может адекватно оценивать ударный объем сердца только на мощности до уровня АнП.

Вывод

Разработана методика неинвазивной оценки ударного объема сердца, которая позволяет получать адекватные оценки до достижения уровня анаэробного порога.

Рис. 2. Изменение ударного объема сердца и ЧСС при выполнении ступенчатого теста спортсменом с массой сердца 660 г., форма кривой — тип «в».

Рис. 3. Типичный график изменения ударного объема сердца при форме кривой «ЧСС-мощность» тип «с».

Рис. 4. Типичный график изменения ударного объема сердца при форме кривой «ЧСС-мощность» тип «а».

Литература

1. Карпман В. Л., Белоцерковский З. Б., Гудкова И. А. Исследование физической работоспособности у спортсменов. — М.: Физкультура и спорт, 1974ю — 130 с.

2. Физиология кровообращения. Физиология сердца. — Л.: Наука, 1980. — 598 с

3. Conconi F., Ferrari M., Ziglio PG, Droghetti P., Codeca I.. Determination of the anaerobic threshold by a noninvasive field test in runners. J. Appl. Physiol., 1982. — 52. — P. 869–873.

4. Jones A. M. and Doust J. H. Lack of reliability in Conconi’s heart rate deflaction point. // Int. J. Sports Med. 16: 541–544, 1995.

5. P-M. Lepretre, C. Foster, J-P. Koralsztein, V. L. Billat. Heart rate deflection point as a strategy to defend stroke volume during incremental exercise. // J. Appl. Physiol. 98: 1660–1665, 2005.