CC BY
42
616-092.4 (57+61)
МАТРИЦЫ МЕЖКЛАСТЕРНЫХ РАССТОЯНИЙ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ЖЕНЩИН-ПЛОВЦОВ ЮГРЫ
В.М. ЕСЬКОВ, М.Я. БРАГИНСКИЙ, В.Н. ГОЛУШКОВ,
Е.В. МАЙСТРЕНКО, М.А. ФИЛАТОВ*
Была обследована группа женщин-пловцов. Была представлена новая методика идентификации матриц межаттракторных расстояний. Полученные данные свидетельствуют, что эффективность адаптации организма спортсменок к плавательной нагрузке определяется зрелостью регуляционных систем.
Ключевые слова: пловцы, идентификация матриц межаттрактор-ных расстояний, адаптация, плавательная нагрузка.
В рамках нового метода идентификации матриц межаттракторных расстояний дана оценка степени влияния физической нагрузки на организм человека. Полученные данные свидетельствуют о том, что эффективность адаптации организма студентов к нагрузке плаванием определяется степенью тренированности регуляторных систем, при этом один и тот же конечный приспособительный результат у девушек с разным уровнем физической подготовки может быть достигнут за счет различной степени напряжения адаптационных механизмов.
Формирование функциональных резервов организма человека весьма эффективно происходит в условиях спортивной деятельности при плавании [1]. Этот вид физической нагрузки в условиях Югры особым образом способствует закаливанию и физическому развитию молодежи. Регулярные физические нагрузки, выполняемые в оптимальных режимах, стимулируют адаптационный потенциал и повышают стрессоустойчивость организма [2,3]. Это весьма актуально для молодых людей, в частности, для студентов, длительно проживающих в условиях Обского Севера РФ и постоянно подвергающихся воздействию множества стресс-агентов, включая психоэмоциональные перегрузки, гипокинезию, экологические и другие неблагоприятные средовые факторы, которые зачастую достигают предельных значений [4,5]. Занятия плаванием в условиях Югры особенно эффективны в сравнении с другими видами физической нагрузки (учитывая продолжительность зимнего периода и существенные физические напряжения при этом виде спорта).
Состояние функциональных систем организма (ФСО) молодёжи Югры и их уровня физической подготовленности представляет особый интерес на основе методов системного анализа и синтеза. Последние позволяют не только получать важную информацию о текущей динамике исследуемых функций, но и прогнозировать их возможные изменения [4]. В этой связи целью нашей работы являлось изучение закономерностей поведения вектора состояния организма пловцов (ВСОП) в т.ч. спортсменов и нетренированных, в фазовом пространстве состояний (ФПС) на основании изучения реакций кардио-респираторной функциональной системы (КРС) в условиях действия динамической нагрузки плаванием. При этом в рамках системного синтеза возникает следующая задача: идентификация компонент х ВСОП, являющихся параметрами порядка - ПП (наиболее важными), которые можно использовать для описания биологических динамических систем (БДС) в рамках системного анализа Отметим, что новые методы и алгоритмы для описания и прогнозирования поведения ФСО, разрабатываемые в НИИ БМК при СурГУ, уже сейчас могут быть использованы в рамках компартментно-кластерного подхода при описании БДС. Этот подход является фактически синергетическим подходом и обеспечивает идентификацию ПП, русел, областей джокеров, а также позволяет работать с БДС как с хаотическими структурами, пребывающими в некоторых областях фазовых пространств состояний [2,3,4], так и в рамках стохастического подхода.
За основу нового синергетического подхода был взят постулат о возможности пребывания БДС в хаотических режимах функционирования (но в пределах некоторых квазиаттракторов). Однако, БДС могут пребывать и в стохастических режимах (например, в состояниях, которые могут описываться некоторыми нормальными законами распределения). Такой разброс от хаоса до стохастики охватывает большой класс объектов и дает возможность работать с биосистемами, имеющими особые, присущие только им свойства. Так как это имеет прямое отношение к ответу на кардинальные вопросы: что измерять при работе с БДС и как обрабатывать полу-
* НИИ биофизики и медицинской кибернетики при Сургутском государственном университете
ченные результаты измерений, то применение новых синергетических методов в изучении процессов саногенеза и патогенеза в медицине и биологии в целом на сегодняшний день составляет глобальную проблему как для теоретической медицины, так и для практического здравоохранения и физиологии спорта.
Материалы и методы исследования. В исследовании участвовало 53 испытуемых (девушек), которым, с целью изучения адаптивных эффектов в работе КРС, предъявлялись стандартные физические нагрузки в виде учебных занятий по дисциплине «плавание» продолжительностью 45 мин.. В зависимости от уровня физической подготовленности были сформированы две группы обследуемых: 1 - студенты, имеющие квалификацию не ниже 1 разряда в разных видах спорта (тренированнные); 2 -студенты, занимающиеся плаванием, но не имеющие спортивного разряда (нетренированные). Состояние параметров КРС оценивали до, сразу и через 15 мин. после физической нагрузки по компонентам вектора состояния организма человека (ВСОЧ), определяемых методом пульсоксиметрии с использованием программы «ЕЬООЯЛРИ». У испытуемых регистрировали значения частоты сердечных сокращений (ЧСС), показателей СИМ и ПАР, соответственно отражающих активность симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы (ВНС), индекса напряжения Баевского (ИНБ) и уровень насыщения гемоглобина крови кислородом (£РО2). Производился также амплитудно-частотный анализ вариабельности ритма ЧСС, определялись 3 компонента ЧСС (УЬБ, Ъ¥ и ИБ) и относительное значение спектральных характеристик.
Особенности описаний ФСО с позиций синергетики базируются на следующих расчетах [2,3] и связаны с регистрацией параметров функций организма каждого человека из группы до воздействия и после воздействия. Эти параметры образуют наборы (компартменты) диагностических признаков в пределах одной фазовой координаты х из набора всех координат т-мерного фазового пространства с одинаковыми диагностическими характеристиками. При этом, каждый человек со своим набором признаков (компоненты вектора состояния организма данного человека -ВСОЧ) задается точкой в этом фазовом пространстве состояний так, что группа испытуемых образует некоторое «облако» (квазиаттрактор) в фазовом пространстве состояний, а разные группы (из-за разных воздействий на них) образуют разные «облака» -квазиаттракторы в ФПС.
Расстояния к*/ (здесь к и / - номера групп обследуемых) между хаотическими или стохастическими центрами этих разных квазиаттракторов формируют матрицы 7, которые задают все возможные расстояния между хаотическими (или стохастическими) центрами квазиаттракторов, описывающих состояние разных групп обследуемых до начала физкультурного воздействия (нумеруются по вертикали, например, в такой матрице 7) и после физкультурного воздействия (нумеруются по горизонтали в матрице 7). Причем, максимальные различия в расстояниях между хаотическими или стохастическими центрами квазиаттракторов 7к/ движения ВСОЧ разных групп испытуемых (до и после определенного воздействия) соответствуют максимальной эффективности лечебного или физкультурно-спортивного мероприятия, а их уменьшение требует дополнительной корректировки в физкультурном воздействии.
В целом, решение задачи идентификации достигается за счет того, что, получаемые данные от группы испытуемых или от одного испытуемого путем повторов измерений в виде набора т блоков данных (компартментов), где т - число измеряемых диагностических признаков, переносят в виде точек в т-мерное фазовое пространство состояний и измеряют расстояния 7к/ между центрами квазиаттракторов [2,3,4]. При этом для каждого вектора Х в одном и том же фазовом пространстве состояний размерностью т имеются одинаковые наборы компонент (диагностических признаков) хк, которые в свою очередь имеют наборы (общим числом п, где п - число пациентов в группе, а ] -номер пациента в группе, ]=1,2,...,п) конкретных множеств значений самих диагностических признаков по каждой из координат хк, которые описывают состояние каждого (]-го) пациента (из
кластера к) в виде точек на соответствующих I осях в т-мерном фазовом пространстве состояний.
Каждый такой квазиаттрактор имеет свои параметры: объ-
к т
ем к-го квазиаттрактора = ЯБк, хаотический центр к-го ква-
к /к зиаттрактора хс = (х1с, X
)Т , где
с
(или
к X-* У
координатні стохастического центра х = 2—, где хк - значе-
7=і т и
ние величины диагностического признака для ^го пациента по і-ой координате из кластера к обследуемых групп) и свое положение в ФПС. Все р объемов (к=1,2,...,р) всех КА образуют вектор объемов КА V = (Vі, У2,...,Ур)Т, гдер - число кластеров (групп
пациентов, видов лечебного воздействия или видов физических нагрузок). Для этих объемов КА рассчитывается матрица расстояний % = \2 } между центрами хаотических квази-
I ¥ )к,/=1,...,р
аттракторов (между к-м и /-м квазиаттракторами в ФПС) по формуле 2¥ = ^2 Х - х{с )2 . Аналогично считается и матрица Ъ расстояний между статистическими центрами (статистическими
математическими ожиданиями), т. е. 2^ = ^2(х£ - х{1 )2 .
Полученные расстояния между центрами к-го и /-го КА или статистическими центрами (статистическими математическими ожиданиями) количественно представляет степень близости (или, наоборот, удаленности) этих 2 сравниваемых квазиаттракторов в фазовом пространстве состояний. Это является интегративной мерой оценки эффективности лечебного или физкультурно - спортивного воздействия. Если Ък/ дает наибольшее расстояние между КА (или статистическими центрами при неравномерных распределениях) до и после воздействия, например, для конкретного к-го лекарственного препарата (или физкультурно-спортивного воздействия) из общего набора р препаратов (воздействий), действующих на приблизительно одинаковую группу испытуемых (пациентов с одинаковой нозологической единицей) при переборе всех / (/=1,2, ,р) и к^/, то это к-е воздействие считается наиболее эффективным из всех р воздействий.
Результаты исследований и их обсуждение. Обработка данных в ФПС производилась до построения матриц. Было проведено попарное сравнение расстояний между центрами для всех пар квазиаттракторов движения вектора состояния организма студентов до, сразу и через 15 мин. после физической нагрузки. На основе этих расчётов были построены матрицы межаттрак-торных расстояний движения ВСОЧ в разных вариациях. В частности, в табл.1 и 2 представлены матрицы внутрикластерных (межкомпартментных) сравнений межаттракторных расстояний для группы девушек, занимающихся регулярно спортом и находящихся в трех режимах: до нагрузки плаванием (до), сразу после 45 мин. плавания в бассейне (после) и спустя 15 мин. после такой нагрузки. Матрица содержит нулевые диагональные элементы и является треугольной матрицей.
Таблица 1
Идентификация расстояний между центрами хаотических квазиаттракторов вектора состояния организма девушек-спортсменок (занимающихся разными видами спорта) до, после и через 15 мин. после предъявления динамической нагрузки плаванием в 5- мерном фазовом пространстве состояний
до после через 15 мин.
до 0 247,56 65,47
после 247,56 0 183,08
через 15 мин. 65,47 183,08 0
Таблица 2
Идентификация расстояний 7к/ между центрами хаотических квазиаттракторов вектора состояния организма нетренированных девушек (не регулярно занимающихся спортом) до, после и через 15 мин. после предъявления динамической нагрузки плаванием в 5- мерном фазовом пространстве состояний
до после через 15 мин.
до 0 432,49 112,34
после 432,49 0 321,09
через 15 мин. 112,34 321,09 0
При расчете 7к/ для табл. 1 использовались данные по параметрам 3 квазиаттракторов из 3 измерений параметров ВСОП девушек-спортсменок. Легко видеть абсолютные и относительные движения ВСОП по сравнению с исходным состоянием покоя. Расстояние 7к/ между центрами хаотических квазиаттракто-
ров до предъявления нагрузки и после неё составляет максимальную величину 247,56, а расстояние Ък/ между центрами хаотических квазиаттракторов до предъявления нагрузки и через 15 мин. после неё - 65,47, что свидетельствует об их относительно быстрой восстанавливаемости. Однако сама 15-ти минутная пауза сразу после нагрузки особого восстановления не дает, т.к. 3 квазиаттрактор (после 15 мин. отдыха) находится от 2 квазиаттрактора (сразу после плавания) на довольно большом расстоянии (723=183,08), т.е. имеем изменения Ък/ всего на 26%. Однако, от исходного состояния ВСОП квазиаттрактор через 15 мин. отдыха отстоит всего на 65,47 у.е., т.е. имеет место активное восстановление функций организма спортсменок.
С другой стороны, из табл. 2 видно, что расстояние Ък/ между центрами хаотических квазиаттракторов у нетренированных девушек до предъявления нагрузки и после нагрузки составляет значительно большую величину - 432,49, что в 1,75 раза больше, чем у тренированных спортсменок. Более того, расстояние Ък/ между центрами хаотических квазиаттракторов до предъявления нагрузки и через 15 мин. после неё, которое характеризует процесс восстановления нетренированных девушек составил 112,3. Это показывает увеличиние Ък/ по отношению к тренированным почти в 1,72 раза. Эти величины количественно показывают, что нагрузка плаванием вызывает выраженное напряжение КРС у нетренированных, а значит и организма в целом, особенно при сравнении с девушками-спортсменками.
Еще более разительные результаты мы имеем при одновременном сравнении в ФПС параметров расстояний между квазиаттракторами для обеих групп испытуемых. Такие межкластерные матрицы особо эффективны для гендерных или возрастных сравнений (у нас эти кластеры отлиаются степенью тренированности).
Таблица 3
Идентификация расстояний 7к/ между центрами хаотических квазиаттракторов вектора состояния организма девушек-спортсменок (занимающихся разными видами спорта) и нетренированных девушек (не регулярно занимающихся спортом) до, после и через 15 мин. после предъявления динамической нагрузки плаванием в 5-мерном фазовом пространстве состояний
Д евушки спортсменки
Нетренированные девушки до после через 15 мин.
до 5,02 249,09 66,52
после 430,79 183,85 366,77
через 15 мин. 111,15 137,30 45,94
506,9 172,3 570,2 190 479,2 159,7
Табл. 3 представляет весь набор межкластерных расстояний для двух кластеров испытуемых (кластер девушек-спортсменок, содержит 3 квазиаттрактора из 3 измерений и кластер нетренированных девушек, тоже для 3 измерений).
В частности, между положением квазиаттракторов ВСОЧ в ФПС имеется небольшая разница при сравнении этих двух кластеров данных до предъявления нагрузки, что составляет всего 5,02 у.е. отмечается и при подобном сравнении через 15 мин. после предъявления нагрузки спортсменкам и составляет 66,5. Наибольшие расстояния 7к/ отмечаются при сравнении положений квазиаттракторов в ФПС для спортсменок до нагрузки и нетренированных девушек после нагрузки (430,79), а также при сравнении нетренированных девушек сразу после нагрузки и спортсменок спустя 15 мин. после нагрузки (366,77). Однако, нетренированные до и спортсменки сразу после нагрузки находятся не на столь большом расстоянии в ФПС (249 у.е.).
Однако, наиболее показательными при сравнении можно считать величины расстояний 7к/ между центрами хаотических квазиаттракторов у нетренированных девушек и спортсменок сразу после нагрузки (183,85). Это значительное расстояние дает количественную оценку в состоянии КРС тренированных и нетренированных девушек сразу после нагрузки (до нагрузки их положения в ФПС почти совпадают - 5,02, а через 15 мин. отдыха их квазиаттракторы сблизились). У нетренированных и спортсменок через 15 мин. после нагрузки - расстояние снизилось (45,94), но все-таки остается значительным (в 9,5 раз больше от исходного в 5,02 у.е.).
Эти две последние величины показывают, что реакции организма на нагрузку плаванием у нетренированных девушек и спортсменок существенно отличаются, а состояние организма спустя 15 мин. после нагрузки приближаются, но остаются еще все-таки значимыми. В целом, можно говорить о том, что адаптационные механизмы у нетренированных намного слабее выражены, чем у спорт-
, к к (хс + Хс
к
X
х
2
сменок и мерой такой адаптацией могут служить межаттракторные расстояния. Характерно, что суммарные Zk/ для девушек спортсменок (сумма Zk/ по вертикали) дает наибольшее отличие спортсменок от неспортсменок (всех состояний) сразу после нагрузки (570,2 абсолютно и 190 - относительных). Наименьшее различие для этого класса сравнений мы получаем для девушек спортсменок через 15 мин. после (479,2 абсолютно и 159,7 относительно).
Таким образом, метод расчета матриц межаттракторных расстояний предоставляет исследователям точную количественную оценку адаптационных резервов организма человека (при сравнении тренированных и нетренированных студенток). У тренированных студентов обеспечивается достаточно хорошее восстановление функций организма после нагрузки вероятно за счет различных резервов КРС в сравнении с нетренированными.
Полученные данные свидетельствуют о том, что, в целом, эффективность адаптации организма студентов к нагрузке плаванием определяется зрелостью регуляторных систем, в связи с чем один и тот же конечный приспособительный результат у девушек с разным уровнем физической подготовки может быть достигнут за счет различной степени напряжения адаптационных механизмов в особых условиях севера РФ.
Литература
1. Валлерстайн И. Конец знакомого мира. Социология XXI века. М.: Логос, 2003. С. 326.
2. Ведясова О.А. Физиологическая оценка адаптации студентов с разными типами полушарного доминирования к мышечной нагрузке / О. А. Ведясова, Е.В. Заживихина // Материалы XIII международного Совещания по эволюционной физиологии. СПБ: ИЭФБ, 2006. С. 102.
3. Еськов В.М. Синергетика в клинической медицине. Часть I. Теоретические основы системного анализа и исследований хаоса в биомедицинских системах / В.М. Еськов, А.А. Хадарцев, О.Е. Филатова. Самара: ООО Офорт, 2006.
4. Еськов В.М. Синергетика в клинической кибернетике: монография. Часть II. Особенности саногенеза и патогенеза в условиях Ханты-Мансийского автономного округа - Югры / В.М. Еськов, А.А. Хадарцев, О.Е. Филатова. Самара: ООО «Офорт» 2007. 297 с.
5. Еськов В. М. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине. Часть VIII. Общая теория систем в клинической кибернетике / В.М. Еськов, А.А. Хадарцев. Самара: ООО «Офорт»,2009.198 с.
6. Майнцер К. Сложносистемное мышление: Материя, разум, человечество. Новый синтез / Под. ред. Г.Г. Малинецкого. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 464 с.
THE DIAGNOSTICS OF PHYSIOLOGICAL FUNCTIONS OF WOMEN-SWIMMERS OF UGRA BY THE METHOD
OF INTERCLUSTER’S DISTANCE MATRIX CALCULATION
V.M.YESKOV, M.YA.BRAGINSKY, V.N. GOLUSHKOV, E.V.MAYSTRENKO, M.A. FILATOV
Surgut State University, Research Institute of Biophysics and Medical Oybernetics
A group of women-swimmers was studied. A new method of identification of interattractor distance matrix was presented. The obtained data testify that efficiency of adaptation of the studtnts' organisms to swimming load is defined by maturity of regulating systems.
Key words: swimmers, identification of interattractor distance matrix, adaptation, swimming load.
УДК 611.12
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ГЕМОДИНАМИКИ У МОЛОДЫХ ЛЮДЕЙ С НОРМАЛЬНЫМ И УЧАЩЁННЫМ РИТМОМ СЕРДЦА ПОСЛЕ ИМПУЛЬСНОЙ ГИПЕРГРАВИТАЦИОННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
В.М. ЕСЬКОВ, В.В. ЕСЬКОВ, В.В. КОРОЛЁВ,
В.Ф. ПЯТИН, В.Б. СИВКОВ*
Проведен системный анализ параметров гемодинамики у 20 юношей
в возрасте 20,3±0,99 лет с нормальным и учащенным сердечным
ритмом после физической нагрузки с низко- и высокоамплитудной
* НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при ГОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры», Сургут, Россия. ГОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет», Самара, Россия
импульсной гипергравитацией в сравнении с обычной статической физической нагрузкой. Установлено, что воздействие низкоамплитудной импульсной гипергравитации вызывает меньший гемодина-мический ответ, чем традиционная физическая нагрузка несмотря на то, что активация проприоцептивной системы при данном воздействии выше и тренировочный эффект достигается быстрее. Сильный проприоцептивный стимул при высокоамплитудной импульсной гипергравитации оказывает благоприятный эффект вероятно у лиц с развитой проприоцептивной системой.
Ключевые слова: квазиаттрактор, импульсная гипергравитацион-ная физическая нагрузка, равноускоренный тренинг, реовазография, гемодинамика.
В настоящее время широкое распространение в физиологии спорта и восстановительной медицине приобрел метод биомеханической стимуляции нейро-мыщечной системы - импульсная гипергравитационная физическая нагрузка (ИГФН) или вибрационная физическая нагрузка (ВФН) как модификация тонического вибрационного рефлекса [1,3]. Реализация данного метода осуществляется с помощью технологии равноускоренного тренинга (РУТ) [7]. В современных приборах, генерирующих трехмерные циклоидные колебания (Power Plate®) основным фактором является не вибрация, а импульсное ускорение, создаваемое движением платформы тренажера в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Данное воздействие вызывает рефлекторные мышечные сокращения с частотой, равной частоте стимуляции, которое ведет к интенсивной нейрогенной адаптации [4]. Физиологической основой ИГФН является интенсивная стимуляция проприо-цепторов скелетных мышц, а следствием - изменение параметров функционирования физиологических систем организма, что является не только предметом теоретических исследований, но и имеет потенциальные возможности использования в спортивной и медицинской практике.
Доказано, что РУТ не оказывает стрессорного воздействия на кардиоваскулярную систему (КВС), поскольку не выявлено достоверных изменений показателей АД, ЧСС после ИГФН. Сохранение ЧСС вызвано, вероятно, увеличением ударного объема или/и венозного возврата. Скорость кровотока бедренной артерии значимо увеличивалась после ИГФН только с 8 минуты, тогда как статический присед (СП) без ИГФН сохранял значение параметра близкое к фону [4]. Сохранение значений ЧСС и АД после ИГФН также отмечено и в исследовании Otsuki et al. [6]. Хотя скорость пульсовой волны уменьшалась через 20, 40 мин после ИГФН и восстанавливалась к 60 минуте. Авторы считают, что длительное применение ИГФН способствует уменьшению жесткости артериальной стенки, тем самым снижает риск развития атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний.
Как показано рядом авторов импульсное воздействие с частотой до 80 Гц среди прочих эффектов повышает поглощение кислорода и скорость кровотока, хотя вибрационной стимул с частотой более 80 Гц может ограничить скорость кровотока [3] и даже стать причиной гипертрофии гладких мышц сосудов.
Диаметр бедренной артерии не изменяется при выполнении физических упражнений с ИГФН, подобный феномен обнаружен в исследовании Lythgo et al. [6]. Исследуя влияние ИГФН на скорость кровотока бедренной артерии при комбинации 6 частотных (5-30 Гц) и 2 амплитудных режимов (2-4 мм) вибрации установили, что скорость кровотока в бедренной артерии прямопропорционально увеличивается с ростом частоты и амплитуды. По данным авторов, ИГФН с частотой 20-30 Гц и амплитудой 4 мм пятикратно увеличивает скорость кровотока (с 13,9 см/с до 71 см/с), вибрационное воздействие с частотой 20-30 Гц и амплитудой 2 мм вызывает четырехкратное увеличение скорости кровотока (до 60 см/с). Статический присед без вибрации трехкратно увеличивает скорость кровотока (до 46 см/с). Скорость кровотока и ЧСС при высокоамплитудном режиме были на 27% и 5% выше соответственно, чем при низкоамплитудном. Средняя и пиковая скорость кровотока при вибрации 30 Гц были на 50% и 25% выше, чем без вибрации [5].
Однако гемодинамический ответ на ИГФН изучен не до конца, большинство исследований охватывает длительные периоды последействия. В связи с этим целью исследования стал системный анализ параметров гемодинамики у молодых людей с нормальным и учащенным ритмом сердца в ответ на проприо-цептивную стимуляцию различной интенсивности.
Материалы и методы исследования. В исследовании воздействия кратковременной физической нагрузки с импульсной гипергравитацией приняло участие 20 юношей в возрасте
