ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2015, том 41, № 5, с. 108-113
УДК 612.821
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОБНО-АНАЭРОБНОГО ПЕРЕХОДА ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ЭМГ И ДАННЫМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ РАБОТАЮЩЕЙ МЫШЦЫ
© 2015 г. С. Ю. Кузнецов, Д. В. Попов, А. С. Боровик, О. Л. Виноградова
ГНЦ РФ — Институт медико-биологических проблем РАН, Москва E-mail: ovin@imbp.ru Поступила в редакцию 30.05.2015 г.
Предлагается новый способ оценки аэробно-анаэробного перехода в энергообеспечении глобальной и локальной физической работы по динамике показателей интегральной электромиографической (ЭМГ) активности и изменения содержания деоксигенированного гемоглобина (HHb) в мышечной ткани. Испытуемые выполняли два теста с непрерывно повышающейся нагрузкой до отказа: на велоэргометре и при разгибании одной ноги в коленном суставе. Зависимость, описывающая изменение отношения содержания HHb в m. vastus lateralis и ее ЭМГ-активности во время выполнения теста, имеет характерный максимум, который соответствует аэробно-анаэробному переходу (ААП). При сопоставлении мощности, при которой наблюдается ААП, со значением мощности на пороге анаэробного обмена, определенной по концентрации лактата в капиллярной крови, найдена статистически значимая корреляция (r = 0.78; p < 0.05) между этими величинами. Показано, что такая методика определения ААП пригодна для определения аэробно-анаэробного перехода и при работе малой мышечной массы.
Ключевые слова: ЭМГ, ИК-спектроскопия, деоксигенированный гемоглобин, анаэробный порог.
Б01: 10.7868/80131164615050094
Известно, что энергообеспечение длительной мышечной работы (более 5 минут) идет преимущественно аэробным путем. 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 оценки аэробной работоспособности обычно используют тест с возрастающей нагрузкой. В результате такого тестирования определяются показатели, характеризующие максимальную производительность кардиореспираторной системы, такие как максимальное потребление кислорода (МПК) и максимальный сердечный выброс, а также оценивается мощность нагрузки, при которой происходит аэробно-анаэробный переход, т.е. когда в энергообеспечение мышечной работы начинают активно включаться анаэробные процессы. Момент аэробно-анаэробного перехода обычно оценивают по динамике ряда физиологических параметров — по изменению концентрации лактата в крови (таким методом определяется аэробный порог, лактатный порог и порог анаэ-
робного обмена или по динамике легочной вентиляции и показателей газообмена (вентиляторный порог, точка респираторной компенсации и др.). У этих показателей аэробной работоспособности имеется статистически значимая корреляция со спортивным результатом, причем зачастую они имеют более высокую корреляцию со спортивным результатом, чем МПК [1—5], что объясняет их широкое применение. Кроме того, достоинством показателей, характеризующих аэробно-анаэробный переход, является относительная простота и доступность тестовых методик. Немаловажно также, что для их определения не требуется проведения тестирования "до отказа".
Некоторые авторы [6—8] предлагают использовать для определения мощности, на которой происходит аэробно-анаэробный переход в тесте с возрастающей нагрузкой, сигнал поверхностной электромиограммы (ЭМГ). Недостатком метода является сильная зависимость точности определения порога от длительности участка записи выше точки аэробно-анаэробного перехода. Необходимо также учитывать, что среднеквадратичное значение, которое используется авторами в качестве характеристики ЭМГ-активности, при
линейном возрастании мощности нагрузки растет до точки перегиба на кривой нелинейно, что приводит к значительным ошибкам при определении аэробно-анаэробного перехода этим методом. Для неинвазивной оценки степени мышечного утомления некоторые авторы предлагают использовать метод инфракрасной (ИК) спектрометрии, предоставляющий показатели, характеризующие оксигенацию мышечной ткани. В частности, показано, что изменения концентрации дезоксигемоглобина в работающей мышце связаны с потреблением кислорода активными мышечными волокнами [4].
В настоящей работе для определения аэробно-анаэробного перехода предлагается помимо сигнала ЭМГ, отражающего рекрутирование двигательных единиц, дополнительно использовать полученную методом ИК-спектроскопии информацию об изменении концентрации дезоксиге-моглобина в работающей мышце.
МЕТОДИКА
Измерения проводились во время двух тестов с непрерывно возрастающей нагрузкой до отказа испытуемых от продолжения работы: в велоэрго-метрическом тесте и в тесте с разгибанием ноги в коленном суставе. В велоэргометрическом тесте принимали участие 12 молодых, физически активных мужчин (возраст 19—28 лет, вес 74 ± 9 кг, предельная мощность в тесте 352 ± 20 Вт (331— 386 Вт)). Тест с разгибанием ноги в коленном суставе выполняли 8 испытуемых (возраст 18— 27 лет, вес 72 ± 6 кг, предельная мощность в тесте 40.2 ± 6.9 Вт (31.4-49.4 Вт)). Протокол экспериментов был одобрен Комиссией по биоэтике ГНЦ РФ — ИМБП РАН. Все испытуемые прошли обследование в клиническом отделе Института и были допущены к участию в экспериментах. Перед началом экспериментов испытуемые были ознакомлены с условиями проведения тестов и дали письменное согласие на свое участие. Не менее чем за двое суток до теста проводилось ознакомительное занятие, во время которого проходило практическое ознакомление с процедурами тестирования.
В велоэргометрическом тесте использовался электромагнитный велоэргометр Е^ошеМс 9008 (Ег§оИпе, Германия). Тестирование начиналось с периода покоя длительностью 1 мин, во время которого испытуемые находились на велоэргомет-ре, но не совершали мышечной работы. Повышение мощности нагрузки начиналось с 0 Вт со скоростью 15 Вт/мин, частота педалирования составляла 60 об/мин. Работа продолжалась до отказа, критерием отказа служило снижение частоты педалирования ниже 50 об/мин.
Тест с разгибанием ноги в коленном суставе проводился на модифицированном электромагнитном велоэргометре Ergometric 900S (Ergoline, Германия). Во время теста испытуемый сидел, поддерживая туловище в вертикальном положении, при этом ось коленного сустава совпадала с осью вращения рычага, на котором закреплялась пластина с мягкой подложкой. Во время разгибания ноги испытуемый давил на эту пластину передней частью голени. Сгибание ноги осуществлялось без сопротивления. Движение в коленном суставе ограничивалось диапазоном углов 80°— 160°. Тестирование начиналось с периода покоя длительностью 1 мин, мощность нагрузки повышалась от 0 Вт со скоростью ~2.5 Вт/мин, испытуемые выполняли 60 движений в минуту, ритм задавался звуковым сигналом с компьютера. Работа продолжалась до отказа, критерием отказа служило снижение частоты движений в полтора раза.
Во время тестов непрерывно регистрировали ЭМГ-активность срединной части m. vastus lateralis (миограф CP511, Grass, США). Для регистрации ЭМГ использовались стандартные хлорсе-ребряные электроды. Сигнал усиливался в 2000 раз и проходил через полосовой фильтр 3— 500 Гц. Кожу в месте крепления электродов предварительно брили, зачищали абразивной тканью и обрабатывали спиртом. Электроды и электродные кабели фиксировались с помощью пластыря и эластичного бинта.
Также регистрировали изменения концентраций оксигемоглабина (OHb) и дезоксигемоглоби-на (HHb) в той же области m. vastus lateralis, с которой регистрировалась ЭМГ (спектрофотометр NIR0-200, Hamamatsu Photonics, Япония). Датчик спектрофотометра располагался рядом с местом крепления ЭМГ-электродов и крепился на коже с помощью клеящейся ленты и фиксировался эластичным бинтом. Источник и приемник инфракрасного излучения были расположены на расстоянии 4 см друг от друга.
Во время велоэргометрического теста измеряли концентрацию лактата в крови (анализатор SuperGLeasy+, DrMuellerGmbH, Германия), для этого у испытуемых каждые две минуты из пальца бралась проба капиллярной крови (20 мкл). Порог анаэробного обмена (ПАНО) определялся по мощности нагрузки, при которой концентрация лактата в капиллярной крови достигает 4 ммоль/л
[9-11].
Аналоговые сигналы со всех приборов оцифровывались с частотой 1000 Гц (аналого-цифровой преобразователь E440, L-Card, Россия) и записывались на жесткий диск с помощью программы PowerGraph (ООО "ДИСофт", Россия). Высокочастотную составляющую ЭМГ75 выделяли с помощью цифрового фильтра высоких частот Баттерворта, частота среза 75 Гц. Получен-
110
КУЗНЕЦОВ и др.
ЭМГ, усл. ед. 0.25
A
HHb, цМ X см 500
400
300
200
100
0
ННЬ/ЭМГ75, усл. ед. 6
5
4
3
2
1
Б
В
100 150 200 Мощность нагрузки, Вт
Рис. 1. Зависимость от мощности нагрузки во время велоэргометрического теста (испытуемый А.): А — усредненной интегральной электромиограммы (ЭМГ) m. vastus lateralis (верхняя кривая) и ее высокочастотной составляющей ЭМГ75 (нижняя кривая); Б — содержания дезоксигенированной формы гемоглобина (HHb) в этой мышце; В — отношения концентрации дезоксигемоглобина к интенсивности высокочастотной составляющей ЭМГ. Жирная линия — аппроксимирующий полином.
ные данные усредняли по последовательным отрезкам времени длительностью 20 с, перед усреднением сигнал ЭМГ "выпрямляли": EMG = = abs(EMG). Зависимость отношения ННЬ/ЭМГ75 от мощности нагрузки во время теста аппроксимировали полиномом 5 порядка, положение максимума на кривой использовали для оценки мощности на ПАНО.
Обработку экспериментальных данных проводили с помощью специально разработанной программы, работающей в среде программирования MATLAB (MathWorks Inc., США).
Результаты обработки представлены в виде: среднее значение ± стандартное отклонение.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Велоэргометрия. Известно, что спектральная плотность ЭМГ по мере увеличения мощности нагрузки несколько сдвигается в сторону высоких частот [12, 13]. Следует отметить, что характер динам
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.