Вариабельность сердечного ритма: анализ и спортивное применениеАлексей Рыжов
Pulse Sports=====================================================================================
ВведениеАдаптация организма к воздействию различных факторов окружающей среды (в том числе и к физическим нагрузкам) в значительной мере связана с реакциями сердечно-сосудистой системы (ССС) и ее регуляторных механизмов. Сердце является весьма чувствительным индикатором всех происходящих в организме событий. Ритм его сокращений, регулируемый через симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы (ВНС), реагирует на любые стрессорные воздействия.
Рис. 1. Изменение ЧСС в покое в зависимости от стрессовых воздействий. Иллюстрация из книги П. Янсен – ЧСС, Лактат и тренировки на выносливость.
Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) представляет собой более глубокое изучение процессов регуляции ССС. Исследование ВСР применяют в спортивной практике для оценки текущего функционального состояния и адаптационного потенциала организма, раннего выявления дезадаптации и состояния перетренированости, осуществления срочного контроля над процессом физической тренировки с целью его оптимизации. [1,3]
Рис. 2. ВСР – более глубокое изучение ЧСС.
При написании статьи ставилась задача показать на собственном примере, что применение анализа ВСР доступно каждому в домашних условиях, а не только профессионалу под присмотром и с помощью врачей-физиологов.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Часть 1. Общие сведенияАнализ вариабельности сердечного ритма. Общие понятияАнализ ВСР является методом оценки состояния механизмов регуляции физиологических функций в организме человека, нейрогуморальной регуляции сердца, а также соотношения между симпатическим и парасимпатическим отделами ВНС.
Текущая активность симпатического и парасимпатического отделов ВНС является результатом реакции системы регуляции кровообращения, изменяющей во времени свои параметры для достижения оптимального приспособительного ответа, который отражает индивидуальную адаптационную реакцию организма.
Рис. 3. Примеры влияний симпатического и парасимпатического отделов ВНС на организм.
Метод основан на распознавании и измерении временных интервалов между R-зубцами ЭКГ (прим.: отсюда и название "R-R intervals"), построении динамических рядов кардиоинтервалов и последующего анализа полученных числовых рядов различными математическими методами. [3] (При затруднениях с пониманием читать [9])
Рис. 4. R-R интервалы на ЭКГИнструменты для мониторинга, записи и анализа ВСР на ПК:1. Беспроводной датчик пульса
Garmin Premium Heart Rate Monitor 2. Беспроводной приемник
Garmin USB ANT+ Stick 3. ПК с установленным программным обеспечением(ПО):
4.
Garmin ANT+ drivers5.
HRV Tracker6.
Kubios HRV (Многие могут попробовать воспользоваться программными продуктами
FirstBeat или иными)
Рис. 5. а)Garmin Heart Rate Monitor & Garmin USB ANT+ Stick_____б)HRV Tracker_____в)Kubios HRVМетодика выполнения тестированияВыполнение теста можно разделить на несколько шагов:
1) Измерение ВСР сердца в состоянии покоя в течение нескольких минут, с помощью беспроводного датчика пульса Garmin HRM*.
2) Запись потоковой информации на ПК в онлайн-режиме, с помощью аппаратных средств беспроводного приемника Garmin USB ANT+ Stick и ПО HRV Tracker
3) Выполнение анализа записанной информации средствами математического аппарата ПО Kubios HRV.
* – Измерение частоты пульса спортивными пульсометрами основано на измерении R-R интервалов. Большинство пульсометров (в головной части) в дальнейшем усредняет пульс, например, с дискретностью в 1 секунду; при записи на ПК или определенные модели пульсометры, такое усреднение отсутствует.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Часть 2. Смысл показателей ВСРДля получения численной оценки ВСР применяют различные математические методы. Ниже рассмотрены временной, частотный и нелинейный анализы.
Временной анализСтатистические показатели. Показывают величину вариабельности сердечного ритма.
Рис. 6. Временной анализ. Пример- Mean RR
Средняя длительность R-R интервалов. Отражает конечный результат многочисленных регуляторных влияний на синусовый ритм сложившегося баланса между парасимпатическим и симпатическим отделом ВНС.
- STD RR (SDNN)
Среднее квадратичное отклонение RR интервалов. Является интегральным показателем, характеризующим ВСР в целом и зависит от влияния симпатического и парасимпатического отделов ВНС.
Величина SDNN зависит от длительности анализируемого сегмента(возрастает при увеличении длины сегмента).
- Mean HR
Средняя арифметическая ЧСС.
- STD HR
Среднее квадратичное отклонение ЧСС.
- RMSSD
Показатель активности парасимпатического звена вегетативной регуляции. Отражает активность автономного контура регуляции. Чем выше значение RMSSD, тем активнее звено парасимпатической регуляции. Аналогичную информацию можно получить по показателю pNN5O.
- NN 5O
Количество пар последовательных интервалов NN, различающихся более, чем на 50 миллисекунд, полученное за весь период записи.
- pNN 5O
Процент NN50 от общего количества последовательных пар интервалов, различающихся более, чем на 50 миллисекунд, полученное за весь период записи.
Показатель степени преобладания парасимпатического звена регуляции над симпатическим(относительное значение).
- Триангулярный индекс+TINN
Интегральные характеристики. Оба показателя выражают общую вариабельность сердечного ритма и более зависимы от низкочастотных, нежели от высокочастотных составляющих. Подвергаются меньшему влиянию со стороны качества записанных данных, однако требовательны к длине записи(вероятно необходимо >=20мин).
Частотный анализСпектральные характеристики. Выделяют высокочастотные(HF), низкочастотные(LF), очень низкочастотные(VLF) колебания сердца. Данные показатели являются одними из наиболее используемых в спортивной практике.
Рис. 7. Частотный анализ. Пример- HF - Мощность в этом диапазоне, в основном, связана с дыхательными движениями и отражает воздействие парасимпатического отдела ВНС.
- LF - Мощность в этом диапазоне имеет смешанное происхождение; на мощность в этом диапазоне оказывают влияние изменения тонуса как симпатического(преимущественно), так и парасимпатического отдела ВНС.
- VLF - Мощность в этом диапазоне характеризует влияние высших вегетативных центров на сердечно-сосудистый подкорковый центр, отражает состояние нейрогуморального и метаболического уровней регуляции.
В случаях, если ВНС (LF+HF) не справляется с регуляторной функцией работы сердца (со стрессом), к управлению работой сердца в более значительной степени подключаются вазомоторный центр и гуморальный система регуляции — один из эволюционно ранних механизмов регуляции, осуществляемый за счет выделения в жидкие среды организма тех или иных веществ.
- Total - Общая мощность спектра. Отражает суммарную активность воздействия на сердечный ритм и имеет тот же физиологический смысл, что и SDNN. Показатель адаптационных резервов организма. После нагрузок наблюдается выраженное снижение общей мощности спектра.
- LF\HF - Характеризует баланс симпатических и парасимпатических влияний.
Нелинейный анализДанный вид анализа очень углублен в математический аппарат. Физиологический смысл показателей затруднен. Наиболее показательными величинами являются SD1, SD2.
Рис. 8. Нелинейный анализ. Пример- SD1,2
Стандартное отклонение точек. Нормальная форма скаттерограммы представляет собой эллипс, вытянутый вдоль биссектрисы. Такое расположение эллипса означает, что к дыхательной прибавлена некоторая величина недыхательной аритмии. Узкий овал соответствует преобладанию недыхательных компонентов в общей вариабельности ритма, а форма скаттерграммы в виде круга означает отсутствие недыхательного компонента аритмии. Т.е. чем форма эллипса ближе к кругу, тем больше преобладает парасимпатический отдел над симпатическим отделом ВНС.
- Смысл других показатели ВСР в нелинейном анализе найти не удалось при первичном ознакомлении с медицинской литературой. Ознакомиться с их формульными зависимостями можно, прочитав инструкцию к Kubios HRV [8].
Для более подробного ознакомления с теоретическими сведениями о ВСР читать [1,2].
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Часть 3. Примеры выполнения теста и полученных результатов
Выполнение теста - шаг за шагом1)Включить компьютер, подключить Garmin USB ANT+ Stick, запустить HRV Tracker.
2)Одеть датчик пульса, предварительно смочив электроды.
3)Проверить работоспособность всей связки по наличию сигнала (например нажав
"Manual Start")
4)Лечь, в HRV Tracker нажать "Script start", предварительно указав путь на скрипт, и ждать окончания теста. (Для правильного снятия данных, а именно для приведения ССС в режим покоя, в HRV Tracker есть режим "script" - позволяет делать умную запись в несколько шагов. Мной написан для себя такой сприпт: 5мин отдыха+5мин записи(можно
скачать) ).
5)HRV Tracker в конце записи просигнализирует звуковым сигналом, сохранит данные в "Мои документы", а также сам запустит Kubios HRV для анализа записи.
6)В Kubios HRV выбрать нужные параметры и смотреть на результат. В случае необходимости результаты можно сохранить в текстовый файл или в виде отчета в формате pdf
Особенности выполнения тестаВремя исполнения теста - любое, но необходимо ориентироваться на анализ восстановления(т.е. тренировка+отдых+тест), а не анализ усталости(т.е. тренировка+тест).
Время замера теста - 5мин (можно больше, есть рекомендации записи 300-500 кардиоциклов, меньше - не хорошо из-за относительно больших периодов VLF, ULF волн).
Положение - лежа или сидя (в покое).
Стандартные внешние условия и т.д. - само собой разумеющееся.
Результаты0)
Утро. Хорошее состояниеДалее была выполнена
спортивная нагрузка (~2ч; ср. чсс 164; макс. чсс 192)
1)
2ч после нагрузки2)
5ч после нагрузки3)
9ч после нагрузки4)
17ч после нагрузки. Утро следующего дня.5)
38ч после нагрузки. Вечер-ночь. Хорошее состояние------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Часть 4. Анализ полученных результатов1. Используя медицинскую литературу, можно сделать выборку ряда показателей, пригодных для отслеживания функционального состояния спортсмена. Рассмотрим что должно происходить с показателями при восстановлении спортсмена после нагрузки:
- В разделе временного анализа: Mean RR - повышается, SDNN - повышается, Mean HR - уменьшается, RMSSD - повышается, pNN50 - повышается.
- В разделе частотного анализа: LF\HF - уменьшается, Total Power - повышается.
- В разделе нелинейного анализа: [SD2 - SD1] уменьшается
Для остальных показателей не было найдено зависимостей при первичном ознакомлении с медицинской литературой. В некоторых медицинских источниках приводятся границы нормальных зон.
2. Проанализируем полученные мной данные(Часть 3; "Результаты") на этапе восстановления от спортивной нагрузки и сравним полученные результаты с теорией.
В точке 0 по оси абцисс был выполнен тест при хорошем самочувствии. После этого была выполнена спортивная нагрузка, и, далее, на точках [1;5] рассматривается восстановление к исходному состоянию(и суперкомпенсационному состоянию). На оси ординат - собственно значение того или иного параметра анализа ВСР(для справки можно посмотреть любой файл в Части 3; "Результаты")
- В разделе временного анализа: Mean RR - повышается, SDNN - повышается, mean HR - уменьшается , STD HR - вероятно уменьшается , RMSSD - повышается, NN50 - повышается, pNN50 - повышается , RR triangular index - повышается, TINN - уменьшается(и становится =0) .
Рис. 9. Временной анализ. Зависимости
Также были найдены группы показателей, коррелирующих между собой:
1) Mean RR, SDNN, RMSSD, NN50, pNN50, RR triangular index
2) Mean HR, TINN
Рис. 10. Временной анализ. Корреляции
- В разделе частотного анализа: HF Power - повышается(абсолютно; относительно; относительно в нормализованных единицах) , Total Power - повышается, LF Power(относительно в нормализованных единицах) - уменьшается; Остальные показатели будут представлены немного ниже.
Рис. 11. Частотный анализ. Зависимости
Для всех остальных показателей не было найдено четких зависимостей. Возможно стоит рассматривать только LF\HF по AR спектру.
Рис. 12. Частотный анализ. Не найденные зависимости
- В разделе нелинейного анализа: SD1 - повышается , SD2 - повышается, [SD2-SD1] - уменьшается, a1 - уменьшается, а2 - уменьшается, [a2-a1] - вероятно увеличивается, ShanEn - уменьшается, Lmax - уменьшается, REC - уменьшается, DET - уменьшается; Остальные показатели будут представлены немного ниже.
Рис. 13. Нелинейный анализ. Зависимости
Для D2, ApEn, Lmean не было найдено зависимостей. Возможно зря исключен из правдивых результатов ApEn.
Рис. 14. Нелинейный анализ. Не найденные зависимости
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Часть 5. Выводы1. В ходе данной статьи было рассмотрено спортивное применение анализа вариабельности сердечного ритма для функционального тестирования спортсменов.
В первой части работы выделены общие сведения о вариабельности сердечного ритма, а также о необходимых инструментах для ее мониторинга, записи и математического анализа. Во второй части работы рассмотрены и объяснены математические показатели вариабельности сердечного ритма. Третья и четвертая части работы содержат пример практического применения и интерпретации анализа вариабельности сердечного ритма в спортивной практике.
2. Основная часть работы заключается в анализе и интерпретации математических показателей вариабельности сердечного ритма. В ходе работы было найдено:
а) Динамическое изменение большинства показателей вариабельности сердечного ритма представляют собой простые математические графики, которые позволяют достаточно однозначно делать выводы относительно динамики изменения функционального состояния спортсмена.
Положительно коррелируют с ростом функционального состояния: Mean RR, SDNN, RMSSD, NN50, pNN50, RR Triangular index;
HF(absolute, %, % in N.U.), Total Power;
SD1, SD2.
Отрицательно коррелируют с ростом функционального состояния: Mean HR, TINN;
LF(% in N.U.);
[SD2-SD1], a1, ShanEn, Lmax, REC, DET.
б) Для некоторых показателей ВСР не было найдено четких зависимостей. Для их изучения необходим дальнейший сбор статистики и более глубокое ознакомление с медицинской теорией.
Неисследованные показатели ВСР:STD HR;
%LF(absolute, %), %VLF(absolute, %), LF,HF Peaks, LF\HF;
a2, [a2-a1], D2, ApEn, Lmean.
3. Подводя итог, мною в домашних условиях была проведена серия тестов по анализу вариабельности сердечного ритма и его последующему спортивному применению; были выделены и проверены на практике основные закономерности результатов, необходимые для спортивного применения; а также показано, что это доступно каждому. А нужно-то всего-то Гармин, который есть у "всех"
.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ЛитератураМедицинская литература1.
В.М. Михайлов - ВСР: опыт практического применения2.
ВСР - Стандарты измерения, физиологической интерпретации и клинического использования3.
Р.М. Баевский - В помощь практическому врачу: анализ ВСР при использовании различных ЭКГ системСпортивная литература4.
А. Вертышев - Анализ записи R-R интервлов5.
Salsakid Training Blog. HF (High Frequency) - альтернатива ортопробы?6.
Оценка функционального состояния и адаптационных резервов у подростков-хоккеистов по данным вариабельности ритма сердца7.
Оценка состояния адаптационных резервов и физической работоспособности подростков по данным вариабельности ритма сердца и велоэргометрииДополнительная литература8.
Kubios HRV user guide9.
Дж.Х. Уилмор, Д.Л. Костилл - Физиология спорта и двигательной активности, глава 3 "Роль нервной системы в регуляции движений", стр.42-58.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ДополнительноВыражается благодарность Кондрашину Александру и Льву Леониду за активное участие в рецензии статьи.
Скачать PDF-версию статьи "Вариабельность сердечного ритма: анализ и спортивное применение"