СУ,
°г
Факторы циркуляции
Доля кислорода, используемая Во Вдыхаемом Воздухе Гц0
Доля кислорода Во вдыхаемом Воздухе Г10г Доля кислорода В Выдыхаемом воздухе /^
Факторы дыхания
Рис. 6. Связь между факторами, влияющими на величину потребления кислорода. Звездочкой отмечены факторы, наиболее легко поддающиеся измерению (по Н. Мопо<1 и М. РоШег, 1973)
23
Конец раДоты
Покой 0,25.
12345 678 мин
Рис. 7. Изменение потребления кислорода при физической нагрузке: А — дефицит кислорода, Б — кислородный долг
циркуляции и дыхания при мышечной работе подвержены изменениям, выраженность которых зависит от интенсивности нагрузок.
При переходе из состояния покоя к нагрузке в течение несколь^ ких минут потребление кислорода возрастает, а затем при стабильной нагрузке достигает устойчивого уровня.
В начальной стадии каждой физической нагрузки независимо от ее интенсивности возникает дефицит кислорода (рис. 7, заштрихованная поверхность А). Он сохраняется на протяжении всего периода работы и стимулирует включение целого ряда механизмов, обеспечивающих необходимые изменения гемодинамики. Кислородный долг возмещается лишь по завершении мышечной работы в восстановительный период (заштрихованная поверхность Б).
Кислородный долг представляет собой объем кислорода, способный обеспечить мышцы с помощью аэробных реакций тем количеством энергии, которое они в действительности затратили за счет анаэробных процессов в начале нагрузки. Величина кислородного долга может достигать 15—20 л. Кислородный долг, особенно при нагрузках большой интенсивности, превышает начальный дефицит кислорода (на рис. 7 площадь сектора Б больше, чем А). Это объясняется тем, что анаэробные реакции, возникающие в адаптационный период, в энергетическом отношении менее производительны, чем процессы аэробного обмена. Период адаптации к физической нагрузке длится 1—2 мин, причем тренированные и более молодые лица адаптируются быстрее.
Показателем уровня анаэробных процессов в организме при физической нагрузке является концентрация недоокисленных продуктов — молочной кислоты — в крови. В покое содержание молочной кислоты составляет около 0,1 г/л крови, а сразу же после тяжелых физических нагрузок, сопровождающихся значительным возрастанием анаэробной энергопродукции, количество ее в крови может возрасти в 10—15 раз.
Потребление кислорода нарастает пропорционально увеличению нагрузки, однако наступает предел, при котором дальнейшее увеличение нагрузки уже не сопровождается увеличением потребления кислорода. Этот уровень называется максимальным потреблением кислорода (тах Уо2), или кислородным пределом (Р. Аз1-гапй,1952).
Величина максимального потребления кислорода — это наивыс-
24
70 80 Годы Возраст
Рис. 8. Возрастная динамика максимального потребления кислорода у мужчин и женщин (по К. Апйегзеп с соавт., 1971)
ший достижимый уровень аэробного обмена при физической нагрузке. Обычно такая нагрузка истощает обследуемого за 5—10 мин. Выше этого предела работающие мышцы оказываются в условиях недостаточного снабжения кислородом, и в них нарастают анаэробные обменные процессы. Таким образом, максимальное потребление кислорода является показателем аэробной способности организма.
Аэробная способность (максимальное потребление кислорода) зависит от резервов сердца, возможностей кровоснабжения работающих мышц, кислородной емкости крови,
состояния легочной вентиляции, диффузионной способности легких и других показателей, т. е. от физиологического состояния организма, а также от типа нагрузок, массы участвующих в работе мышц.
Если какое-либо звено в цепи факторов, обеспечивающих высокий уровень обменных процессов при физических нагрузках, нарушается, то неизбежно снижается и аэробная способность организма. С другой стороны, тренирующий режим, увеличивая адаптационные возможности, приводит к увеличению аэробной способности.
Таким образом, максимальное потребление кислорода — важнейший физиологический показатель, отражающий способность организма обеспечить большую потребность тканей в кислороде при предельной активации функции сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Этот показатель является ведущим при определении функционального состояния и работоспособности человека с помощью нагрузочных тестов.
Максимальное потребление кислорода определяется в литрах в минуту (л/мин). С учетом того, что оно пропорционально массе тела, для получения сравнимых данных его часто относят к 1 кг массы тела обследуемого (мл/мин/кг).
Максимальное потребление кислорода в детском возрасте увеличивается пропорционально росту и массе. У мужчин оно достигает максимального уровня в возрасте 18—20 лет. Начиная с 25— 30 лет, оно неуклонно снижается и к 70 годам составляет 50 % от уровня 20 лет. У женщин максимальное потребление кислорода равняется приблизительно 70 % определяемого у мужчин, остается стабильным на протяжении продуктивного периода, а затем снижается с такой же скоростью, как и у мужчин (К. Апёегзеп с со-
25
авт., 1971). На рис. 8 приведена возрастная динамика максимального потребления кислорода у мужчин и у женщин.
Для молодых и хорошо тренированных лиц максимальное потребление кислорода — 4 л/мин у мужчин и 3 л/мин у женщин (Р. Аз1гапс1, 1952, 1960). Этот уровень в 15 раз превышает затраты в условиях основного обмена. У взрослых с пониженной физической активностью, ведущих сидячий образ жизни, аэробная способность находится на более низком уровне и в возрасте 25—45 лет составляет примерно 3,2 л/мин у мужчин и 2,4 л/мин у женщин (Н. Мопой, 1973).
Исследованиями с применением больших физических нагрузок выявлена тесная корреляционная зависимость между интенсивностью мышечной работы, потреблением кислорода и минутным объемом сердца. Е. Азггшззеп и М. №е1зеп (1955) отмечают, что линейная зависимость между потреблением кислорода и минутным объемом кровообращения возникает при нагрузках, требующих потребления кислорода более 1 л/мин; при меньшей нагрузке такой зависимости нет.
В. Веуе^агс! (1960, 1963) вывел формулы, отражающие соотношение величины минутного объема сердца к потреблению кислорода при различных нагрузках.
При нагрузках в горизонтальном положении:
МОС (л/мин)=6,13Уо2 (л/мин ЗТРО)+6,24. При нагрузках в вертикальном положении:
МОС (л/мин) =5,9Уо2 (л/мин 5ТРО)+4,36.
Кроме того, величина минутного объема (сердечного индекса) при нагрузках может быть определена в зависимости от величины потребления кислорода в мл/мин на 1 м2 поверхности тела по следующим формулам (О. Шайе и Л. В]зпор, 1962). В горизонтальном положении сердечный индекс равен 3,708 ±0,00534хУо2, а в вертикальном — 2,55 +0,00561 хУо2-
При адекватной реакции на нагрузку на каждые 100 мл повышения потребления кислорода отмечается увеличение минутного объема сердца на 800 мл (К. Нагуеу с соавт., 1962).
Проявлением прямой зависимости между величиной потребления кислорода во время нагрузок и минутным объемом сердца является и тесная корреляционная взаимосвязь между величиной потребления кислорода, степенью нагрузки и частотой сердечных сокращений. На этой зависимости строятся все косвенные методы оценки функционального состояния организма и его предельных физических возможностей без применения максимальных истощающих нагрузок, при которых достигаются кислородный предел и максимальная частота сердечных сокращений.
Максимальные нагрузочные тесты главным образом распространены в спортивной медицине и в физиологических исследованиях. В клинической практике в основном применяются субмаксимальные нагрузки и вместо определения максимального потреб-
26
ления кислорода по рекомендации ВОЗ широко используется определение величины потребления кислорода при нагрузках, приводящих к частоте сердечных сокращений 170 в 1 мин —
Для оценки физического состояния человека и, в частности, состояния сердечно-сосудистой системы с помощью нагрузочных тестов наряду с максимальным потреблением кислорода определяют и кислородный пульс. Он представляет собой отношение потребления кислорода за 1 мин к частоте пульса за ту же минуту, т. е. количество миллилитров кислорода, которое доставляется за одно сердечное сокращение. Этот показатель характеризует экономичность работы сердца. Чем выше кислородный пульс, тем эффективнее гемодинамика, так как доставка нужного количества кислорода обеспечивается меньшей частотой сердечных сокращений.
В покое кислородный пульс составляет 3,5 — 4 мл, а при интенсивной физической работе, сопровождающейся потреблением кислорода 3 л/мин, он возрастает до 16—18 мл.
Как отмечают Н. Мопой, М. РоШег (1973), линейная зависимость, существующая между частотой сердцебиений и потреблением кислорода, лучше выявляется не при определении кислородного пульса, а когда увеличение частоты сердцебиений по сравнению с состоянием покоя относят к одновременному увеличению объема кислорода по сравнению с состоянием покоя.
Полученная величина ДУо2/ДГ[1 является дифференциальным (разностным) кислородным пульсом. Он составляет 25 — 30 мл при увеличении частоты сердечных сокращений на один удар и служит гораздо более чувствительным показателем, чем кислородный пульс.
Отдельные авторы (К. Кош§ с соавт., 1961; V. ОоШешег, 1968, и др.) при оценке тестов определяют индекс сокращения, под которым подразумевается отношение величины относительного объема сердца (У/5) к максимальному кислородному пульсу.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ
Расход энергии обычно определяется в килоджоулях (килокалориях).
Затраты энергии человеческого организма в килоджоулях (килокалориях) могут быть отнесены ко времени (минута, сутки) или к 1 м2 поверхности тела.
В зависимости от условий и степени активности организма различают три энергетических (метаболических) уровня.
Основные затраты — это энергия, затрачиваемая организмом в условиях основного обмена. Она составляет 4,6—5,2 кДж, или 1,1 — 1,25 ккал/мин (по Е. <юг(1оп, 1957,— 5,8 кДж, или 1,39 ккал/мин), а в сутки — около 7118—7536 кДж (1700—1800 ккал). Отношение основных затрат к поверхности тела составляет основной обмен, который у взрослого молодого человека равен около 155 кДж/мг/ч
27
(37 ккал/м2/ч); с возрастом он снижается. У женщин величина основного обмена примерно на 5 % ниже, чем у мужчин.
Затраты в покое — энергия, затрачиваемая организмом, находящимся в условиях, отличающихся от основного обмена, при отсутствии мышечной работы. В дополнение к энергетическим затратам основного обмена сюда относятся энергетические затраты при пищеварении и терморегуляции вне зоны комфорта (особенно при охлаждении), а также затраты на поддержание мышечного тонуса и позы. В обычных условиях на это дополнительно расходуется энергия в пределах 20 % величины основных затрат.
Затраты при работе — энергия, расходуемая во время мышечной активности. Величина этой энергии равна разнице между затратами при работе и в покое. В зависимости от вида работы величина энергетических затрат колеблется в широких пределах — от 3300—3800 кДж (800—900 ккал) в сутки при канцелярской работе до 17000—21000 кДж (4000—5000 ккал) при тяжелом физическом труде.
Энергетические затраты организма нередко определяются в так называемых метаболических единицах (Ми или Ме1). Под метаболической единицей подразумеваются основные энергетические затраты и поэтому 1 Ми приблизительно составляет 4,6—6,2 кДж/мин (1,1—1,25 ккал/мин).
Средний энергетический эквивалент для кислорода равен 21 кДж (5 ккал/л), т. е. при сгорании в организме белков, жиров и углеводов на каждый 1 л израсходованного кислорода высвобождается около 21 кДж (5 ккал). Таким образом, для обеспечения энергетических потребностей основного обмена требуется около 200—250 мл/мин кислорода.
Физическая нагрузка приводит к увеличению энергетических потребностей, которые при тяжелой работе могут возрасти в 15— 20 раз по сравнению с состоянием покоя. Соответственно увеличивается и потребление кислорода.
Об увеличении энергетических затрат при нагрузке можно судить по увеличению потребления кислорода.
Например, в условиях основного обмена потребление кислорода составило 250 мл/мин, что соответствует затратам энергии в 5,2 кДж/мин (1,25 ккал/мин), или 1 Ми. Затраты в покое соответственно составили 10,4кДж/мин (2,5 ккал/мин), или 2 Ми; т. е. потребление кислорода было 500 мл/мин. Физическая нагрузка вызвала повышение потребления кислорода до 1000 мл/мин и, следовательно, общие затраты энергии — до 21 кДж/мин (5 ккал/мин), или 4 Ми. Если же рассчитать затраты на работу (разница между общими затратами при нагрузке и в покое), то они составят 5,2 кДж/мин (2,5 ккал/мин), или 2 Ми.
ФИЗИЧЕСКАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ
Определение физической работоспособности (ФРС), или Р\УС (Рпузша! \Уогкш§ СарасНу) при нагрузочных тестах в спорте или при выполнении профессиональных обязанностей имеет большое значение для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
28
Максимальная работа представляет собой предельный уровень нагрузки, приведшей к максимальной частоте сердечных сокращений. Наряду с максимальным потреблением кислорода этот показатель является ведущим при оценке результатов нагрузочных тестов. Существующая линейная зависимость между частотой пульса, интенсивностью нагрузки и величиной потребления кислорода позволяет рассчитывать величину максимальной работы на основе результатов нагрузочных тестов меньшей интенсивности (субмаксимальных), а также определять величину максимального потребления кислорода по максимальной работе.
В клинической практике часто используются показатели не максимальной работы, а работы при частоте сердечных сокращений 170 в 1 мин ФРСпо (В. Л. Карпман с соавт., 1969; Т. 5Го51гап(1, 1947; Н. ШаЫипс!, 1948; О. ТогпуаП, 1963, и др.). Не говоря уже о том, что этот тест менее опасен, чем максимальные нагрузки, оптимальный уровень минутного объема кровообращения достигается при частоте сердечных сокращений 170—180 в 1 мин (В. Л. Карпман с соавт., 1969; Р. Аз1гап(1 и К. КойаЫ, 1970, и др.).
При обследовании более тяжелых контингентов больных нередко ограничиваются тестом меньшей интенсивности, доводя нагрузки до частоты сердечных сокращений 150 в 1 мин-ФРС^о и даже до 130 в 1 мин — ФРС,зо-
Оценивая результаты нагрузочных тестов, наряду с определением кислородного пульса можно учитывать и величину ватт-пульса — нагрузку в ваттах на одно сердечное сокращение (Н. Коз-катт с соавт., 1966).
Даже краткий обзор физиологии физических нагрузок со всей наглядностью показывает, что интенсивная мышечная работа предъявляет высокие требования к функции основных органов и систем человека. Детренированность приводит к ухудшению состояния сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем, а физическая активность способствует улучшению их функции.
Изучение реакции на дозированные физические нагрузки открывает широкие возможности для объективной оценки физического состояния человека и его работоспособности. Поэтому нагрузочные тесты занимают все большее место в комплексе современных кардиологических исследований.
ТЕРМИНОЛОГИЯ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭКВИВАЛЕНТЫ
При изложении вопросов физиологии нагрузок и нагрузочных тестов часто приходится прибегать к условным обозначениям и терминам, которые используются в международной литературе. Мы опускаем большинствЪ из них, которые хорошо известны из работ по физиологии, но считаем необходимым пояснить некоторые термины, имеющие непосредственное отношение к нагрузочным тестам и эргономии.
29
Условные обозначения и терминология
Условные обозначения Р. ли пины измерения Значение термина
Ус Уе Уе
тах
V
тах «о
^о, (170) УО, (900)
АТР5 ВТР5
5ТРО
О, или СО С1
31°
!Ь (900) *п (2,1)
1Р1
ВУ ТВУ
ФРС, Р\УС ФРС„о, Р\УС,то
ФРС.50, РШС.50
^170
МК
Ми или Ме1
л л
л/мин л/мин
л/мин
Л/МИН Л/МИН
Л/МИН
условия состояния газа
л/мин
л/мин/м2
мл
мл/уд/м2
уд/мин
уд/мин
уд/мин
мл/уд
л
л
Дыхание
Жизненная емкость Объем выдыхаемого воздуха Минутный дыхательный объем Легочная вентиляция во время максимальной мышечной работы Потребление кислорода Максимальное потребление кислорода Потребление кислорода при частоте сердечных сокращений 170 в 1 мин Потребление кислорода при нагрузке 900 кгм/мин
Окружающая температура и давление, полное насыщение водяными парами Температура тела 37 °С и окружающее давление, полное насыщение водяными парами
Стандартная температура 0°С, давление 101 кПа (760 мм рт. ст.), сухой газ
Кровообращение
Минутный объем сердца (МОС) Сердечный индекс (СИ) Ударный объем (УОС) Систолический индекс Сердечный ритм (ЧСС) Сердечный ритм при нагрузке 900 кгм/мин
Сердечный ритм при потреблении кислорода 2,1 л/мин Кислородный пульо Объем крови Общий объем крови
Работа и энергия
Вт, кгм/мин Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин кгм
к Д ж/мин, ккал/мин
Физическая работоспособность Физическая работоспособность при сердечном ритме 170 в 1 мин Физическая работоспособность при сердечном ритме 150 в 1 мин Степень нагрузки
Степень нагрузки при потреблении кислорода 2,1 л/чин Степень нагрузки при сердечном ритме 170 в 1 мин (то же, что РХУСио) Максимальная нагрузка Общая работа, произведенная за I
Уровень энергетических затрат Метаболическая единица (условный уровень основного обмена)
30
Показатели выполненной работы при нагрузочных тестах могут быть выражены в различных единицах измерения (Вт, кгм/мин и др.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
°г
Факторы циркуляции
Доля кислорода, используемая Во Вдыхаемом Воздухе Гц0
Доля кислорода Во вдыхаемом Воздухе Г10г Доля кислорода В Выдыхаемом воздухе /^
Факторы дыхания
Рис. 6. Связь между факторами, влияющими на величину потребления кислорода. Звездочкой отмечены факторы, наиболее легко поддающиеся измерению (по Н. Мопо<1 и М. РоШег, 1973)
23
Конец раДоты
Покой 0,25.
12345 678 мин
Рис. 7. Изменение потребления кислорода при физической нагрузке: А — дефицит кислорода, Б — кислородный долг
циркуляции и дыхания при мышечной работе подвержены изменениям, выраженность которых зависит от интенсивности нагрузок.
При переходе из состояния покоя к нагрузке в течение несколь^ ких минут потребление кислорода возрастает, а затем при стабильной нагрузке достигает устойчивого уровня.
В начальной стадии каждой физической нагрузки независимо от ее интенсивности возникает дефицит кислорода (рис. 7, заштрихованная поверхность А). Он сохраняется на протяжении всего периода работы и стимулирует включение целого ряда механизмов, обеспечивающих необходимые изменения гемодинамики. Кислородный долг возмещается лишь по завершении мышечной работы в восстановительный период (заштрихованная поверхность Б).
Кислородный долг представляет собой объем кислорода, способный обеспечить мышцы с помощью аэробных реакций тем количеством энергии, которое они в действительности затратили за счет анаэробных процессов в начале нагрузки. Величина кислородного долга может достигать 15—20 л. Кислородный долг, особенно при нагрузках большой интенсивности, превышает начальный дефицит кислорода (на рис. 7 площадь сектора Б больше, чем А). Это объясняется тем, что анаэробные реакции, возникающие в адаптационный период, в энергетическом отношении менее производительны, чем процессы аэробного обмена. Период адаптации к физической нагрузке длится 1—2 мин, причем тренированные и более молодые лица адаптируются быстрее.
Показателем уровня анаэробных процессов в организме при физической нагрузке является концентрация недоокисленных продуктов — молочной кислоты — в крови. В покое содержание молочной кислоты составляет около 0,1 г/л крови, а сразу же после тяжелых физических нагрузок, сопровождающихся значительным возрастанием анаэробной энергопродукции, количество ее в крови может возрасти в 10—15 раз.
Потребление кислорода нарастает пропорционально увеличению нагрузки, однако наступает предел, при котором дальнейшее увеличение нагрузки уже не сопровождается увеличением потребления кислорода. Этот уровень называется максимальным потреблением кислорода (тах Уо2), или кислородным пределом (Р. Аз1-гапй,1952).
Величина максимального потребления кислорода — это наивыс-
24
70 80 Годы Возраст
Рис. 8. Возрастная динамика максимального потребления кислорода у мужчин и женщин (по К. Апйегзеп с соавт., 1971)
ший достижимый уровень аэробного обмена при физической нагрузке. Обычно такая нагрузка истощает обследуемого за 5—10 мин. Выше этого предела работающие мышцы оказываются в условиях недостаточного снабжения кислородом, и в них нарастают анаэробные обменные процессы. Таким образом, максимальное потребление кислорода является показателем аэробной способности организма.
Аэробная способность (максимальное потребление кислорода) зависит от резервов сердца, возможностей кровоснабжения работающих мышц, кислородной емкости крови,
состояния легочной вентиляции, диффузионной способности легких и других показателей, т. е. от физиологического состояния организма, а также от типа нагрузок, массы участвующих в работе мышц.
Если какое-либо звено в цепи факторов, обеспечивающих высокий уровень обменных процессов при физических нагрузках, нарушается, то неизбежно снижается и аэробная способность организма. С другой стороны, тренирующий режим, увеличивая адаптационные возможности, приводит к увеличению аэробной способности.
Таким образом, максимальное потребление кислорода — важнейший физиологический показатель, отражающий способность организма обеспечить большую потребность тканей в кислороде при предельной активации функции сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Этот показатель является ведущим при определении функционального состояния и работоспособности человека с помощью нагрузочных тестов.
Максимальное потребление кислорода определяется в литрах в минуту (л/мин). С учетом того, что оно пропорционально массе тела, для получения сравнимых данных его часто относят к 1 кг массы тела обследуемого (мл/мин/кг).
Максимальное потребление кислорода в детском возрасте увеличивается пропорционально росту и массе. У мужчин оно достигает максимального уровня в возрасте 18—20 лет. Начиная с 25— 30 лет, оно неуклонно снижается и к 70 годам составляет 50 % от уровня 20 лет. У женщин максимальное потребление кислорода равняется приблизительно 70 % определяемого у мужчин, остается стабильным на протяжении продуктивного периода, а затем снижается с такой же скоростью, как и у мужчин (К. Апёегзеп с со-
25
авт., 1971). На рис. 8 приведена возрастная динамика максимального потребления кислорода у мужчин и у женщин.
Для молодых и хорошо тренированных лиц максимальное потребление кислорода — 4 л/мин у мужчин и 3 л/мин у женщин (Р. Аз1гапс1, 1952, 1960). Этот уровень в 15 раз превышает затраты в условиях основного обмена. У взрослых с пониженной физической активностью, ведущих сидячий образ жизни, аэробная способность находится на более низком уровне и в возрасте 25—45 лет составляет примерно 3,2 л/мин у мужчин и 2,4 л/мин у женщин (Н. Мопой, 1973).
Исследованиями с применением больших физических нагрузок выявлена тесная корреляционная зависимость между интенсивностью мышечной работы, потреблением кислорода и минутным объемом сердца. Е. Азггшззеп и М. №е1зеп (1955) отмечают, что линейная зависимость между потреблением кислорода и минутным объемом кровообращения возникает при нагрузках, требующих потребления кислорода более 1 л/мин; при меньшей нагрузке такой зависимости нет.
В. Веуе^агс! (1960, 1963) вывел формулы, отражающие соотношение величины минутного объема сердца к потреблению кислорода при различных нагрузках.
При нагрузках в горизонтальном положении:
МОС (л/мин)=6,13Уо2 (л/мин ЗТРО)+6,24. При нагрузках в вертикальном положении:
МОС (л/мин) =5,9Уо2 (л/мин 5ТРО)+4,36.
Кроме того, величина минутного объема (сердечного индекса) при нагрузках может быть определена в зависимости от величины потребления кислорода в мл/мин на 1 м2 поверхности тела по следующим формулам (О. Шайе и Л. В]зпор, 1962). В горизонтальном положении сердечный индекс равен 3,708 ±0,00534хУо2, а в вертикальном — 2,55 +0,00561 хУо2-
При адекватной реакции на нагрузку на каждые 100 мл повышения потребления кислорода отмечается увеличение минутного объема сердца на 800 мл (К. Нагуеу с соавт., 1962).
Проявлением прямой зависимости между величиной потребления кислорода во время нагрузок и минутным объемом сердца является и тесная корреляционная взаимосвязь между величиной потребления кислорода, степенью нагрузки и частотой сердечных сокращений. На этой зависимости строятся все косвенные методы оценки функционального состояния организма и его предельных физических возможностей без применения максимальных истощающих нагрузок, при которых достигаются кислородный предел и максимальная частота сердечных сокращений.
Максимальные нагрузочные тесты главным образом распространены в спортивной медицине и в физиологических исследованиях. В клинической практике в основном применяются субмаксимальные нагрузки и вместо определения максимального потреб-
26
ления кислорода по рекомендации ВОЗ широко используется определение величины потребления кислорода при нагрузках, приводящих к частоте сердечных сокращений 170 в 1 мин —
Для оценки физического состояния человека и, в частности, состояния сердечно-сосудистой системы с помощью нагрузочных тестов наряду с максимальным потреблением кислорода определяют и кислородный пульс. Он представляет собой отношение потребления кислорода за 1 мин к частоте пульса за ту же минуту, т. е. количество миллилитров кислорода, которое доставляется за одно сердечное сокращение. Этот показатель характеризует экономичность работы сердца. Чем выше кислородный пульс, тем эффективнее гемодинамика, так как доставка нужного количества кислорода обеспечивается меньшей частотой сердечных сокращений.
В покое кислородный пульс составляет 3,5 — 4 мл, а при интенсивной физической работе, сопровождающейся потреблением кислорода 3 л/мин, он возрастает до 16—18 мл.
Как отмечают Н. Мопой, М. РоШег (1973), линейная зависимость, существующая между частотой сердцебиений и потреблением кислорода, лучше выявляется не при определении кислородного пульса, а когда увеличение частоты сердцебиений по сравнению с состоянием покоя относят к одновременному увеличению объема кислорода по сравнению с состоянием покоя.
Полученная величина ДУо2/ДГ[1 является дифференциальным (разностным) кислородным пульсом. Он составляет 25 — 30 мл при увеличении частоты сердечных сокращений на один удар и служит гораздо более чувствительным показателем, чем кислородный пульс.
Отдельные авторы (К. Кош§ с соавт., 1961; V. ОоШешег, 1968, и др.) при оценке тестов определяют индекс сокращения, под которым подразумевается отношение величины относительного объема сердца (У/5) к максимальному кислородному пульсу.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ
Расход энергии обычно определяется в килоджоулях (килокалориях).
Затраты энергии человеческого организма в килоджоулях (килокалориях) могут быть отнесены ко времени (минута, сутки) или к 1 м2 поверхности тела.
В зависимости от условий и степени активности организма различают три энергетических (метаболических) уровня.
Основные затраты — это энергия, затрачиваемая организмом в условиях основного обмена. Она составляет 4,6—5,2 кДж, или 1,1 — 1,25 ккал/мин (по Е. <юг(1оп, 1957,— 5,8 кДж, или 1,39 ккал/мин), а в сутки — около 7118—7536 кДж (1700—1800 ккал). Отношение основных затрат к поверхности тела составляет основной обмен, который у взрослого молодого человека равен около 155 кДж/мг/ч
27
(37 ккал/м2/ч); с возрастом он снижается. У женщин величина основного обмена примерно на 5 % ниже, чем у мужчин.
Затраты в покое — энергия, затрачиваемая организмом, находящимся в условиях, отличающихся от основного обмена, при отсутствии мышечной работы. В дополнение к энергетическим затратам основного обмена сюда относятся энергетические затраты при пищеварении и терморегуляции вне зоны комфорта (особенно при охлаждении), а также затраты на поддержание мышечного тонуса и позы. В обычных условиях на это дополнительно расходуется энергия в пределах 20 % величины основных затрат.
Затраты при работе — энергия, расходуемая во время мышечной активности. Величина этой энергии равна разнице между затратами при работе и в покое. В зависимости от вида работы величина энергетических затрат колеблется в широких пределах — от 3300—3800 кДж (800—900 ккал) в сутки при канцелярской работе до 17000—21000 кДж (4000—5000 ккал) при тяжелом физическом труде.
Энергетические затраты организма нередко определяются в так называемых метаболических единицах (Ми или Ме1). Под метаболической единицей подразумеваются основные энергетические затраты и поэтому 1 Ми приблизительно составляет 4,6—6,2 кДж/мин (1,1—1,25 ккал/мин).
Средний энергетический эквивалент для кислорода равен 21 кДж (5 ккал/л), т. е. при сгорании в организме белков, жиров и углеводов на каждый 1 л израсходованного кислорода высвобождается около 21 кДж (5 ккал). Таким образом, для обеспечения энергетических потребностей основного обмена требуется около 200—250 мл/мин кислорода.
Физическая нагрузка приводит к увеличению энергетических потребностей, которые при тяжелой работе могут возрасти в 15— 20 раз по сравнению с состоянием покоя. Соответственно увеличивается и потребление кислорода.
Об увеличении энергетических затрат при нагрузке можно судить по увеличению потребления кислорода.
Например, в условиях основного обмена потребление кислорода составило 250 мл/мин, что соответствует затратам энергии в 5,2 кДж/мин (1,25 ккал/мин), или 1 Ми. Затраты в покое соответственно составили 10,4кДж/мин (2,5 ккал/мин), или 2 Ми; т. е. потребление кислорода было 500 мл/мин. Физическая нагрузка вызвала повышение потребления кислорода до 1000 мл/мин и, следовательно, общие затраты энергии — до 21 кДж/мин (5 ккал/мин), или 4 Ми. Если же рассчитать затраты на работу (разница между общими затратами при нагрузке и в покое), то они составят 5,2 кДж/мин (2,5 ккал/мин), или 2 Ми.
ФИЗИЧЕСКАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ
Определение физической работоспособности (ФРС), или Р\УС (Рпузша! \Уогкш§ СарасНу) при нагрузочных тестах в спорте или при выполнении профессиональных обязанностей имеет большое значение для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
28
Максимальная работа представляет собой предельный уровень нагрузки, приведшей к максимальной частоте сердечных сокращений. Наряду с максимальным потреблением кислорода этот показатель является ведущим при оценке результатов нагрузочных тестов. Существующая линейная зависимость между частотой пульса, интенсивностью нагрузки и величиной потребления кислорода позволяет рассчитывать величину максимальной работы на основе результатов нагрузочных тестов меньшей интенсивности (субмаксимальных), а также определять величину максимального потребления кислорода по максимальной работе.
В клинической практике часто используются показатели не максимальной работы, а работы при частоте сердечных сокращений 170 в 1 мин ФРСпо (В. Л. Карпман с соавт., 1969; Т. 5Го51гап(1, 1947; Н. ШаЫипс!, 1948; О. ТогпуаП, 1963, и др.). Не говоря уже о том, что этот тест менее опасен, чем максимальные нагрузки, оптимальный уровень минутного объема кровообращения достигается при частоте сердечных сокращений 170—180 в 1 мин (В. Л. Карпман с соавт., 1969; Р. Аз1гап(1 и К. КойаЫ, 1970, и др.).
При обследовании более тяжелых контингентов больных нередко ограничиваются тестом меньшей интенсивности, доводя нагрузки до частоты сердечных сокращений 150 в 1 мин-ФРС^о и даже до 130 в 1 мин — ФРС,зо-
Оценивая результаты нагрузочных тестов, наряду с определением кислородного пульса можно учитывать и величину ватт-пульса — нагрузку в ваттах на одно сердечное сокращение (Н. Коз-катт с соавт., 1966).
Даже краткий обзор физиологии физических нагрузок со всей наглядностью показывает, что интенсивная мышечная работа предъявляет высокие требования к функции основных органов и систем человека. Детренированность приводит к ухудшению состояния сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем, а физическая активность способствует улучшению их функции.
Изучение реакции на дозированные физические нагрузки открывает широкие возможности для объективной оценки физического состояния человека и его работоспособности. Поэтому нагрузочные тесты занимают все большее место в комплексе современных кардиологических исследований.
ТЕРМИНОЛОГИЯ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭКВИВАЛЕНТЫ
При изложении вопросов физиологии нагрузок и нагрузочных тестов часто приходится прибегать к условным обозначениям и терминам, которые используются в международной литературе. Мы опускаем большинствЪ из них, которые хорошо известны из работ по физиологии, но считаем необходимым пояснить некоторые термины, имеющие непосредственное отношение к нагрузочным тестам и эргономии.
29
Условные обозначения и терминология
Условные обозначения Р. ли пины измерения Значение термина
Ус Уе Уе
тах
V
тах «о
^о, (170) УО, (900)
АТР5 ВТР5
5ТРО
О, или СО С1
31°
!Ь (900) *п (2,1)
1Р1
ВУ ТВУ
ФРС, Р\УС ФРС„о, Р\УС,то
ФРС.50, РШС.50
^170
МК
Ми или Ме1
л л
л/мин л/мин
л/мин
Л/МИН Л/МИН
Л/МИН
условия состояния газа
л/мин
л/мин/м2
мл
мл/уд/м2
уд/мин
уд/мин
уд/мин
мл/уд
л
л
Дыхание
Жизненная емкость Объем выдыхаемого воздуха Минутный дыхательный объем Легочная вентиляция во время максимальной мышечной работы Потребление кислорода Максимальное потребление кислорода Потребление кислорода при частоте сердечных сокращений 170 в 1 мин Потребление кислорода при нагрузке 900 кгм/мин
Окружающая температура и давление, полное насыщение водяными парами Температура тела 37 °С и окружающее давление, полное насыщение водяными парами
Стандартная температура 0°С, давление 101 кПа (760 мм рт. ст.), сухой газ
Кровообращение
Минутный объем сердца (МОС) Сердечный индекс (СИ) Ударный объем (УОС) Систолический индекс Сердечный ритм (ЧСС) Сердечный ритм при нагрузке 900 кгм/мин
Сердечный ритм при потреблении кислорода 2,1 л/мин Кислородный пульо Объем крови Общий объем крови
Работа и энергия
Вт, кгм/мин Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин
Вт, кгм/мин кгм
к Д ж/мин, ккал/мин
Физическая работоспособность Физическая работоспособность при сердечном ритме 170 в 1 мин Физическая работоспособность при сердечном ритме 150 в 1 мин Степень нагрузки
Степень нагрузки при потреблении кислорода 2,1 л/чин Степень нагрузки при сердечном ритме 170 в 1 мин (то же, что РХУСио) Максимальная нагрузка Общая работа, произведенная за I
Уровень энергетических затрат Метаболическая единица (условный уровень основного обмена)
30
Показатели выполненной работы при нагрузочных тестах могут быть выражены в различных единицах измерения (Вт, кгм/мин и др.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29