Введение. Лабораторная работа

Введение

Актуальной проблемой кардиологии является ранняя диагностика коронарогенных поражений миокарда, что связано с ростом внезапной смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, особенно у людей молодого возраста. Оценка адекватности коронарного кровотока неинвазивными методами играет важную роль в решении этой проблемы. Простота, доступность, повторяемость позволяет их использовать для выявления скрытой ишемической болезни сердца (ИБС), определения физических возможностей организма для работы в условиях с большими физическими и психоэмоциональными нагрузками, а также как важный критерий трудоспособности у лиц, перенёсших обострение ИБС.

Наряду с тем, что нагрузочные пробы используются для выявления ИБС, они позволяют диагностировать латентные формы артериальной гипертензии, а также реакцию артериального давления на физическую нагрузку.

Среди неинвазивных методов исследования в современной практической кардиологии наибольшее распространение получили пробы с дозированной физической нагрузкой, которые позволяют не только выявить коронарную недостаточность, но также объективно оценить функциональное состояние сердечно-сосудистой системы.

Понятие “стресс-теста” в кардиологии включает в себя оценку функционального резерва и состояния сердечно-сосудистой системы при выполнении различных видов деятельности. В состоянии покоя сердечно-сосудистая система может находиться в состоянии компенсации без признаков её нарушений. Именно поэтому стандартная электрокардиограмма покоя может не обнаруживать признаков поражения тех или иных отделов сердца, что не исключает возможность наличия у пациента каких-либо нозологических форм.

Поэтому для выявления определённых признаков заболевания в медицинскую практику были введены пробы с дозированной физической нагрузкой (стресс-тесты).

Дозированная физическая нагрузка – та нагрузка, мощность которой можно изменять согласно определённым задачам исследователя. Дозирование физической нагрузки стало возможным благодаря появлению специальных аппаратов, позволяющих изменять интенсивность физической нагрузки в определённых стандартных значениях. К ним относятся велоэргометры и беговые дорожки (тредмил).

Велоэргометрия (ВЭМ) заключается в проведении электрокардиографического исследования во время физической нагрузки на специальном велосипеде – велоэргометре. Велоэргометрия применяется для выявления начальных стадий и скрытых форм ишемической болезни сердца, определения индивидуальной толерантности к физической нагрузке, а также для определения уровня физической работоспособности.

Данные учебно-методические материалы позволят студентам получить практические навыки по оценке реакции сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку с помощью велоэргометрии.

Лабораторная работа

МЕДИЦИНСКИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ВЕЛОЭРГОМЕТР

Цель работы: определение физической трудоспособности студентов путём проведения эксперимента на велоэргометре.

· Общие сведения

Спирометрические осмотры позволяют получать важную информацию о состоянии лёгких и системы кровообращения. Недостатком такого осмотра является то, что он осуществляется в состоянии покоя пациента и не позволяет получать данные о работе перечисленных систем при воздействии определенной нагрузки на организм. Спирометрия изучает только частные явления без их взаимосвязи.

Осмотр под нагрузкой позволяет изучать функционирование системы кровообращения и дыхательной системы в их взаимной связи. Физическая нагрузка является физиологичным стимулятором дыхательной работы сердца. При усиленной работе сердца в нём повышаются обменные процессы, что ведёт к возрастанию потребности в кислороде. В ответ на нагрузку в здоровом организме адекватно возрастает коронарный кровоток и никаких патологических реакций сердечно-сосудистой системы не наблюдается.

При осмотре пациента под нагрузкой можно анализировать возможности развития заболеваний дыхательных органов. Вынесение определенной нагрузки зависит не только от состояния органов кровообращения и органов дыхания, но и от состояния данной группы мускулатуры.

Ранее использовали различные методы осмотра под нагрузкой, например хождение по лестнице, сгибание колен и т.д. Недостатком этих методов является то, что величина нагрузки неопределима. Применение эргометра позволяет исключить эту неопределённость.

В настоящее время осмотры под нагрузкой должны удовлетворять следующим требованиям:

—нагрузка и её величина должны соответствовать данным пациента и нагрузка должна быть изменяемой;

—нагрузка должна давать возможность получить ответ на решаемые проблемы;

—нагрузка должна быть безопасной и должна быть возможность её прекращения в любое время;

—основным условием достоверного осмотра является его воспроизводимость;

—нагрузка должна быть физиологической.

С использованием нагрузок возможно проведение ряда исследований:

—оценка общего состояния пациента;

—эргоспирометрический осмотр;

—электрокардиографический осмотр.

· Оценка общего состояния

При оценке общего состояния в качестве критериев рассматриваются частота пульса и величина артериального давления. Величины этих показателей измеряются в спокойном состоянии, до нагрузки. После этого производится постепенное, с интервалами по 1-2 мин, увеличение нагрузки, и при этом периодически измеряется пульс пациента. Увеличение нагрузки производится до тех пор, пока величина пульса не составит 160 уд/мин. Во время эксперимента следите за тем, чтобы величина пульса не превысила 160 уд/мин, так как величина пульса, равная 180 уд/мин, может привести к сердечным перегрузкам, что является крайне опасным.

После достижения величины пульса 160 уд/мин нагрузка прекращается и по истечении 2—3 мин вновь производится измерение частоты пульса и величины артериального давления у пациента. Полученные значения должны практически совпадать со значениями, полученными при измерении до нагрузки. Несоответствие этих значений свидетельствует о возможных нарушениях в деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Артериальное давление через 2—3 мин после прекращения нагрузки у здорового человека должно отличаться от измеренного до опыта с нагрузкой не более, чем на 10%. Если отличие больше, то у пациента возможно существует такое заболевание, как гипертония, которое проявляется в скачках артериального давления.

Частота пульса через 2—3 мин после прекращения нагрузки у здорового трудоспособного пациента должна отличаться oт измеренной до опыта с нагрузкой не более, чем на 5— 10%. Если отличие частоты пульса составляет менее 5%, это свидетельствует о хорошей тренированности пациента и высокой трудоспособности. Отличие в 5—10% свидетельствует о высокой трудоспособности. Отличие в частоте пульса 10—25% указывает на сниженную трудоспособность, а более 25% - на опасную пониженную трудоспособность или на нарушение в дыхательной системе.

Измерение частоты пульса следует производить постоянно во время эксперимента с помощью электронного пульсометра. Он состоит из датчика, прикрепляемого на палец пациента и электронного блока с цифровыми индикаторами. На цифровых индикаторах отображается средняя частота пульса и верхний предел частоты. Верхний предел необходимо установить равным 160 уд/мин. При достижении пульса пациента верхнего предела происходит звуковая сигнализация, которая указывает на необходимость прекращения исследования.

Велоэргометрическую пробу проводят по методике ступенеобразно непрерывно возрастающих нагрузок.

Всего существует 4 типа нагрузочных тестов (рис 1.):

- непрерывный одноступенчатый;

- многоступенчатый с возрастающей мощностью нагрузки и паузами отдыха между ступенями (прерывистый);

- ступенчатый непрерывно-возрастающий;

- нерперывно - возрастающий типа «рэмп» (наклон).

Рис. 1. Схемы проведения нагрузочных проб

Исследование начинается с минимальной нагрузки мощностью 25 Вт в течение 3 мин. В дальнейшем при непрерывной работе нагрузка последовательно увеличивается на эту величину на каждой ступени до момента прекращения пробы. При проведении пробы важен темп наращивания мощности выполняемой нагрузки. Желательно, чтобы частота сердечных сокращений достигла расчётного субмаксимального уровня в течение приблизительно 10-12мин. Целью непрерывного наблюдения является определение возможного момента наступления болевых ощущений в области сердца и их оценка.

· Конструкция велосипедного эргометра

Рассмотрим конструкцию эргометра по функциональной схеме. Функциональная схема показана на рис. 2 (где БО – биообъект, т.е. испытуемый).

Рис 2.Функциональная схема велоэргометра

Центральной частью устройства является тормозной узел - тормозной магнит, который состоит из трёх последовательно включенных магнитов. Между обоймами магнитов вращается алюминиевый тормозной шкив, вращаемый испытуемым через цепную передачу. Положение руля и сиденья может регулироваться. Число оборотов измеряется тахометром, показания которого отсчитываются на индикаторе испытуемого. Изменяя силу постоянного тока в обмотке тормозного магнита, можно изменять необходимое усилие на вращение ножного рычага. Постоянный ток получается от стабилизированного блока питания комбинированной системы. Изменение тока торможения, т. е. величины нагрузки, осуществляется при помощи потенциометра, при этом нагрузка отсчитывается по шкале. Для проверки готовности устройства к работе служит калибрующий прибор. По своему устройству эргометр можно рассматривать как два комплектных узла: велосипедный узел и блок питания. Велосипедный узел содержит комплектную тормозную систему, механические регулирующие детали и тахометр с индикатором испытуемого. Блок питания содержит регулирующие элементы и индикаторы.

Центральной частью устройства является тормозная (нагрузочная) система. Общий вид нагрузочного устройства приведен на рис 3.

Рис.3.Общий вид тормозного (нагрузочного) устройства: 1- рама основания; 2 - кронштейн; 3 - ось; 4 - якорь; 5 - индуктор; 6- катушка индуктивности; 7- толкатель; 8 - датчик тормозного момента; 9 - диск с прорезями; 10 - датчик числа оборотов; 11- вентилятор охлаждения тензобалки

Нагрузочное устройство состоит из электромагнитного тормоза и датчика тормозного момента. Электромагнитный тормоз включает в себя шестиполюсный индуктор с укреплёнными на нём катушками индуктивности и кольцевой массивный якорь. Датчик тормозного момента представляет собой изготовленную из алюминия балку («тензобалку») с установленными на ней двумя парами тензорезисторов, включённых по мостовой схеме.

· Велоэргометр Kettler.

Для обеспечения своей собственной безопасности соблюдайте технику безопасности; неправильная тренировка или чрезмерная нагрузка могут причинить вред здоровью.

Навигационной кнопкой “Вверх” запускается индикация в режиме ожидания. Программные кнопки: данные 4 кнопки запускают функции, которые отображаются на дисплее, например, Меню, Пользователи.

Навигационные кнопки позволяют делать выбор пунктов меню либо полей ввода в меню.

Кнопки Минус / Плюс. С помощью этих кнопок изменяются значения, и в тренировочном режиме перестраивается нагрузка либо меняются профили. “Плюс” увеличивает значения или изменяет настройку. “Минус” уменьшает значения или изменяет настройку. “Плюс” или “Минус” удерживать дольше > более быстрая смена значений. «Плюс» и «Минус» нажаты вместе: нагрузка сбрасывается на наименьший уровень нагрузки, программы сбрасываются до исходных настроек, значение устанавливается на Выкл (Off).

Перезапуск дисплея (Software - Reset). При нажатии одновременно 3 кнопок осуществляется перезапуск.

Вид измерения пульса:

1. Ушная клипса. Штекер вставляется в разъём для пульса.

2. Встроенный приёмник и нагрудный ремень Polar T34. Преимущественным является измерение пульса посредством нагрудного ремня.

Рис. 4. Вид дисплея при установке параметров нагрузки.

Для того чтобы с самого начала использовать все возможности электроники, перед тренировкой необходимо сделать следующие установки и настройки:

• Персональные данные пользователей, которые будут использоваться прибором. Данные используются для расчёта пределов значений пульса и нагрузки, фитнес-тестов (IPN), рекомендаций по тренировке (тренировка с инструктором) и индексу массы тела (ИМТ).

• Дата и время. Проверьте, пожалуйста, актуальны ли эти данные. Тренировки сохраняются с датой и временем. Пункт меню можно найти в Главное меню > Настройки.

Меню Программы. Данное меню содержит обзор программ тренировок, имеющихся на данном приборе. Имеются различные возможности для построения тренировки. В случае если содержание меню не вмещается на экран, необходимо при помощи навигационных кнопок “Вверх” и “Вниз” перемещать содержание экрана.

Контроль пульса (целевое значение пульса). В случае активизации контроля в целевом значении пульса пульс будет контролироваться до и во время тренировки. При активировании функции контроля максимального значения пульса и при превышении этого значения отображается символ MAX и мигающая стрелка HI. При активации функции звукового сигнала дополнительно выдаётся двойной звуковой сигнал. Измерение пульса во время отдыха представляет собой наблюдение за пульсом на протяжении одной минуты. При этом замеряется пульс в начале и в конце временного интервала, определяется разность показателей пульса и рассчитывается оценка состояния. Нажатие “Отдых” запускает функцию.

При количестве оборотов педалей менее 10 в минуту или при нажатии на «Отдых» электроника фиксирует прерывание тренировки. Отображаются средние значения.

· Методика проведения лабораторной работы

Для выполнения лабораторной работы необходимо участие двух студентов.

1. Сначала студенты знакомятся с теоретической частью лабораторной работы и оформляют протокол для занесения полученных в ходе выполнения эксперимента результатов. Перед тем как приступить к выполнению лабораторной работы, студенты проводят расчёт необходимых значений. После того, как все вычисления выполнены, необходимо подключить питание к лабораторной установке.

2. Устанавливают требуемые положения руля и сидения по росту студента. Одного из членов лабораторной бригады сажают на велоэргометр, одевают ушную клипсу или нагрудный ремень и консультируют по основным положениям проведения теста с нагрузкой (схема увеличения нагрузки, критерии прекращения эксперимента). К выполнению данной лабораторной работы непосредственно на велоэргометре не допускаются студенты с заболеваниями сердца. Если есть заболевания такого рода, то этот студент выполняет только снятие показаний и расчёт данных для отчета.

3. Выполнение эксперимента проходит по одной из четырёх схем нагрузки, второй студент внимательно следит за показаниями и в соответствии со схемой проведения в определённое время снимает показания ЧСС. Необходимо внимательно следить за ЧСС. Если показатели резко снижаются или не изменяются долгое время после значительного повышения нагрузки, следует прекратить эксперимент и обратиться к преподавателю.

4. После того как тестирование по одной схеме выполнено и показатели вернулись в норму, студенты меняются и выполняют второй эксперимент по другой схеме нагрузки. Таким образом, получается, что за одну пару занятий лабораторная бригада должна выполнить эксперимент по четырём схемам – по две на каждого студента. Между выполнением нагрузочного теста одним студентом должно пройти не меньше 10-15 минут, чтобы восстановительный период прошёл полностью.

5. После того, как эксперимент завершён, необходимо подписать протокол проведения лабораторной работы у преподавателя и провести обработку полученных данных, на основании которых подготовить отчёт для дальнейшей защиты лабораторной работы.

· Порядок выполнения работы в зависимости от схем нагрузки

В зависимости от схемы нагрузки провести исследование, результаты занести в таблицы соответственно выполненной схеме нагрузки (таблица 1 используется для первых трёх схем нагрузки, т. е. в протоколе приводятся 3 аналогичные таблицы, для четвёртой схемы нагрузки используется таблица 2).

На основании полученных результатов сделать выводы о физической работоспособности студента.

Таблица 1

Измеряемые величины	До нагрузки	Время t1	Время t2	Время t…	Восстанови-тельный период
ЧСС, уд/мин
Нагрузка, Вт

Таблица 2

	До нагрузки	25 Вт	50 Вт	75 Вт	100 Вт	125 Вт	Восстановительный период
ЧСС, уд/мин

I. Одноступенчатая нагрузка (непрерывная)

· В состоянии покоя измерить ЧСС.

· Установить мощность нагрузки 100 Вт – для женщин или 150 Вт для мужчин.

· Через 2 минуты (t1) снять показание ЧСС.

· Не изменяя нагрузки еще через 2 минуты (t2) снять показание ЧСС.

· Отключить нагрузку и в холостом режиме крутить педали еще 40-60 секунд.

· После завершения выполнения теста с нагрузкой ещё раз снять показание ЧСС.

· Полученные результаты занести в табл. 1.

II. Многоступенчатая с возрастающей мощностью нагрузки и паузами отдыха между ступенями (прерывистая)

· В состоянии покоя измерить ЧСС.

· Установить мощность нагрузки 100 Вт – для женщин или 150 Вт для мужчин.

· Через 3 минуты (t1) снять показание ЧСС.

· Отключить нагрузку и в холостом режиме крутить педали еще 40-60 секунд.

· Сделать 2-минутный перерыв.

· Установить нагрузку в 200 Вт – для женщин и 300 Вт для мужчин.

· Через 3 минуты (t2) снять показание ЧСС. Критерием прекращения нагрузки является субмаксимальная ЧСС. Для расчёта субмаксимальной ЧСС как критерия прекращения нагрузки используем формулу Г.М. Яковлева [9]:

Целевая ЧСС = ЧСС1+К (215-возраст-ЧСС1),

где ЧСС1 – фоновая ЧСС в состоянии покоя, К – коэффициент поправки (0,9 – для спортсменов, 0,8 – для здоровых).

· Отключить нагрузку и в холостом режиме крутить педали еще 40-60 секунд.

· После завершения выполнения теста с нагрузкой снять показание ЧСС.

· Полученные результаты занести в таблицу 1.

III. Непрерывная ступенчатая нагрузка (непрерывно-возрастающая)

· В состоянии покоя измерить ЧСС.

· По формулам выполнить вычисления максимальной нагрузки и величину нагрузки первой ступени. Учитывая, что мощность максимальной нагрузки в ваттах линейно взаимосвязана с мышечной массой обследуемых и ростом, а также зависит от возраста и пола тестируемых, при тестировании здоровых лиц для расчёта оптимальной схемы дозирования нагрузки можно использовать подход, предложенный В.В. Власовым [4]. Для этого определяется индекс массы тела (ИМТ=частное от деления массы тела в килограммах на квадрат роста в метрах) и, когда фактический вес превышает 110% должного (должный вес: ИМТ<25), в расчёте используется так называемая «тощая масса тела» (ТМТ). Для мужчин она рассчитывается по формуле:

ТМТ = Должный вес + 0,41 × (фактический вес – должный вес),

а для женщин по формуле:

ТМТ = Должный вес + 0,25 × (фактический вес – должный вес).

Для мужчин субмаксимальная нагрузка в ваттах (85% от максимальной возрастной ЧСС, около 75% от предполагаемой максимальной мощности) определяется по формуле:

Вт = 73 + 2,15 × масса тела (ТМТ) – 2,12 × возраст,

а для женщин по формуле:

Вт = 45,6 + 1,93 × масса тела (ТМТ) – 1,45 × возраст.

При этом масса тела измеряется в килограммах, а возраст – в годах.

Полученное значение субмаксимальной нагрузки следует разделить на 3, получив при этом величину первой ступени и равного ей шага увеличения нагрузки.

Пример:

для студента 21 года массой 63 кг и ростом 182 см ИМТ = 63/3,31 = 19, что равняется должному весу. Тогда предполагаемая субмаксимальная мощность нагрузки будет равна:

73+2,15 х 63 – 2,12 х 21= 164 Вт.

Высчитываем первую ступень и шаг увеличения нагрузки: 164/3=55 Вт, т.е. с учётом минимального шага дозирования нагрузки на велоэргометре в 5 Вт нагрузку можно дозировать по 50 или 55 Вт, ожидая, что субмаксимальную ЧСС студента достигнет за 8-9 минут работы.

· В соответствии с полученными данными установить полученную мощность нагрузки.

· Через 2-3 минуты (t1) снять показание ЧСС.

· Увеличить мощность нагрузки на рассчитанную величину.

· Через 2-3 минуты (t2) снять показание ЧСС.

· Увеличить мощность нагрузки до максимальной.

· Ещё через 2-3 минуты (t3) снять показание ЧСС.

· Отключить нагрузку и в холостом режиме крутить педали еще 40-60 секунд.

· После завершения выполнения теста с нагрузкой ещё раз снять показание ЧСС.

· Полученные данные занести в таблицу 1.

IV. Непрерывно-возрастающая типа «рэмп» нагрузка

· В состоянии покоя измерить ЧСС.

· Установить мощность нагрузки 15 Вт.

· Далее каждые 20 секунд повышать нагрузку на 5 Вт до 125 Вт.

· По достижении уровня нагрузки в 25, 50, 75, 100 и 125 Вт снимать показания ЧСС.

· Отключить нагрузку и в холостом режиме крутить педали ещё 40-60 секунд.

· После завершения выполнения теста с нагрузкой ещё раз снять показание ЧСС.

· Полученные данные занести в таблицу 2.

· Сравнить полученные данные с таблицей 3.

Таблица 3. Динамика артериального давления и ЧСС при субмаксимальной непрерывно-возрастающей нагрузке на велоэргометре у мужчин с нормальным артериальным давлением разного возраста

Возраст, лет	Покой (сидя)	Мощность нагрузки, Вт
Возраст, лет	Покой (сидя)
Систолическое АД, мм рт.ст.
20-29	125,9 ±8,4	136,2 ±10,6	138,8 ±11,7	146,4 ± 12,6	162,7 ± 13,9	180,5 ± 15,2
30-39	126,6 ±8,0	136,6 ± 9,8	139,4 ±10,3	147,5 ± 10,7	164,4 ± 12,6	182,6 ± 14,4
Диастолическое АД, мм рт.ст.
20-29	76,7 ± 8,1	75,9 ± 7,9	74,8 ± 8,3	74,9 ± 8,7	76,4±9,1	79,1 ± 10,7
30-39	77,3 ± 6,8	77,4 ± 7,6	76,2 ± 6,8	76,8 ± 7,5	79,4±7,4	82,4 ± 9,3
ЧСС, уд/мин
20-29	74,6 ± 9,7	90,9 ± 8,7	102,1 ± 8,2	112,6 ± 8,7	126,4 ± 9,5	142,5 ± 10,3
30-39	71,3 ± 10,8	85,5 ± 10,1	96,9 ± 9,8	108,5 ± 8,7	121,1 ± 9,1	136,1 ± 9,8

· Примерные контрольные вопросы

1. Изменение пульса во время выполнения теста с физической нагрузкой.

2. Принцип работы велоэргометра.

3. Функциональная схема велоэргометра.

4. Схемы проведения нагрузочных проб.

5. Понятие велоэргометрии, применение.

· Список литературы

· Апанасенко Г.Л. Соматическое здоровье и максимальная аэробная способность индивида /Г.Л. Апанасенко, Р.Г. Науменко // Теория и практика физ. культуры. – 1988. – № 4.

· Аронов Д.М. Коронарная недостаточность у молодых. – М., 1974.

· Аулик И.В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. – 2-е изд., перераб. и доп. – М., 1990.

· Власов В.В. Стандартизация оценки физической работоспособности при велоэргометрии //Кардиология. – 1995. – № 11.

· Забеньков И.И. Исследование передаточной функции нагрузочного устройства велоэргометра с электромагнитной системой торможения// Электроника – 2003. – Том 1, № 3.

· Заболевания сердца и реабилитация : пер. с англ. / под общ. ред. М.Л. Поллока, Д.Х. Шмидта.– Киев, 2000.

· Карпман В.Л. Тестирование в спортивной медицине / В.Л. Карпман, З.Б. Белоцерковский, И.А. Гудков. – М., 1988.

· Михайлов В.М. Нагрузочное тестирование под контролем ЭКГ: велоэргометрия, тредмилл-тест, степ-тест, ходьба / В.М. Михайлов. – Иваново: А-Гриф, 2005.

· Яковлев Г.М. Современные методы исследования функционального состояния кровообращения / Г.М. Яковлев. – Л.: ВМА им. Кирова, 1979.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учебно-методические материалы позволяют студентам получить практические навыки по оценке реакции сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку с помощью велоэргометрии.

· Представлены методика проведения велоэргометрии, методы оценки полученных в ходе выполнения нагрузочных тестов данных для оценки физической работоспособности.

· Разработана схема проведения лабораторной работы, позволяющая студентам получить практические навыки проведения велоэргометрии и обработки данных, полученных в ходе проведения исследований.

· Проведены эксперименты по оценке реакции сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку с помощью велоэргометра.

· Разработаны методические указания по проведению лабораторной работы.

Методические указания к проведению лабораторной работы будут внедрены в учебный процесс для бакалавров по направлению биомедицинской инженерии.