Устройство определения тренированности спортсменов

Изобретение относится к медицине, в частности - спортивной медицине и может быть использовано для повышения эффективности тренировочных процессов, также может быть использовано для определения уровня физического состояния, например, новобранцев, военнослужащих и лиц тяжелых физических профессий: шахтеров, лесорубов и т.д., в том числе - при дистанционном контроле в естественных условиях. Технической задачей изобретения является повышение достоверности тренированности спортсмена. Указанная цель достигается тем, что предлагается устройство для определения тренированности спортсменов, содержащее блок электродов-датчиков, тетраполярный импедансный пневмограф и электрокардиограф, передающий и приемный блок, составляющие вместе биотелеметрический комплекс, использующий радио или инфракрасный канал связи отличающееся тем, что в него введены микроконтроллер с дисплеем и клавиатурой, причем первый выход приемника, которым является демодулятор ЧСС электрокардиограммы, соединен с блоком выделения и регистрации ЧСС из ЭКГ, второй выход приемника, который является демодулятор импедансной пневмограммы, соединен с блоком выделения и регистрации минутного объема дыхания, а выходы этих блоков соединены первой и второй информационными шинами соответственно с микроконтроллером, выход которого соединен с жидкокристаллическим дисплеем, выход клавиатуры соединен третьей информационной шиной с микроконтроллером, причем жидкокристаллический дисплей является выходом приемного блока и всего устройства.

Изобретение относится к медицине, в частности - спортивной медицине и может быть использовано для повышения эффективности тренировочных процессов, также может быть использовано для определения уровня физического состояния, например, новобранцев, военнослужащих и лиц тяжелых физических профессий: шахтеров, лесорубов и т.д., в том числе - при дистанционном контроле в естественных условиях.

Известно устройство количественной регистрации объемных показателей внешнего дыхания у человека в процессе мышечной деятельности на основе спирографического принципа, т.е. путем измерения характеристик струи дыхательного воздуха. Реализуется этот принцип двумя путями: прямым (с непосредственным измерением дыхательного объема - спирограф, мешок Дугласа) и непрямым, основанным на определении параметров воздушного потока - напора (турбинка), градиента давлений по ходу воздушной струи (дифференциальный манометр), охлаждающего действия воздуха (термистор) и др. см. «Динамическая радиореопневмография и ее применение в спорте» В.В. Розенблат, и др., ж. «Физиология человека» том 5, № 4, 1979, стр. 708. Все эти устройства, обеспечивая хорошую достоверность результатов, требуют, однако, наличия дыхательной маски на лице испытуемого или загубника. Между тем присутствие такой маски в естественных условиях спортивной и трудовой деятельности сопряжено с рядом неудобств, и не только психологического порядка. В частности, при интенсивных нагрузках и соответствующих им значительных объемах легочной вентиляции сопротивление дыханию при пользовании маской настолько возрастает, что может вносить существенные искажения в получаемые данные (повышение физической нагрузки, изменения в соотношениях кардио-респираторных показателей), а также исключает возможность длительных наблюдений.

Известен телеметрический комплекс для контроля состояния и диагностики функционального состояния человека (см. патент РФ № 2175212), содержащий приемный и передающие блоки, транслирующий по инфракрасному каналу связи снимаемую с человека посредством электродов (датчиков) информацию о кардиореспираторных параметрах обследуемого. Недостатком является, что система не позволяет однозначно судить о тренированности спортсмена, поскольку частота сердечных сокращений (ЧСС) и минутный объем дыхания (МОД) слабо коррелируют между собой, а индивидуально адаптация к нагрузкам характеризуется в одних случаях значительным нарастанием МОД при умеренном росте ЧСС, а в других - обратным соотношением.

Также известен радиотелеметрический способ с регистрацией дыхания путем импедансной пневмографии. Общеизвестна теснейшая функциональная связь систем кровообращения и дыхания в обеспечении энергетических потребностей организма при мышечной работе. Повышение уровня нагрузки закономерно приводит к увеличению сдвигов показателей со стороны обеих систем. Эти данные говорят о наличии определенных индивидуальных особенностей адаптации систем энергообеспечения к физической нагрузке: у одних лиц отмечаются более выраженные сдвиги со стороны сердечно-сосудистой, у других - со стороны дыхательной системы, см. ж. «Физиология человека», т. 11, № 1, 1985, стр. 102-105.

Также известен радиотелеметрический комплекс для регистрации респираторных параметров у свободно передвигающего человека (информационный листок № 671-77 Свердловского ЦНТИ, 1977г., Свердловск, стр. 1-4), содержащий передающий и приемный блоки, электроды для снятия импедансной пневмограммы и электрокардиограммы, радиоканал связи на основе ЧМ-ЧМ - модуляции с кварцованной несущей, демодулятор - дешифратор с фильтром низкой частоты (ФНЧ), цифровой оконечный регистратор - блок представления информации в виде цифровых значений кардиореспираторных параметров. Комплекс также не позволяет однозначно судить о степени тренированности спортсмена,

представляя набор кардиореспираторных параметров обследуемого - ПРОТОТИП.

При всей привлекательности этого комплекса, по нему нельзя однозначно судить о тренированности спортсмена, т.к. частота сердечных сокращений (ЧСС) и минутный объем дыхания (МОД) слабо коррелируют между собой. Если пользоваться величинами ЧСС и МОД по отдельности, то в одних случаях адаптация к нагрузке характеризуется весьма значительным нарастанием МОД при умеренном повышении ЧСС, а в других -обратным соотношением.

Отмечено, что применение минутного объема кровообращения МОК (или сердечного выброса) вместо ЧСС при ЧСС больше 100 уд/мин ничего не дает, т.к. систолический объем почти не меняется, а методически чрезвычайно сложно и неточно определяется. При этом отмечается адаптация организма к физической нагрузке у одних людей за счет сердечно-сосудистой системы, у других - за счет дыхания, причем корреляция показателей дыхания и кровообращения может быть как положительная, так и отрицательная. Следовательно, общепринятая оценка дифференциального функционирования респираторной и циркулярной систем маскирует потенциальную возможность оценки КПД энергообеспечения организма кардиореспираторной системой в целом.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности тренированности спортсмена.

Указанная цель достигается тем, что предлагается устройство для определения тренированности спортсменов, содержащее блок электродов-датчиков, тетраполярный импедансный пневмограф и электрокардиограф, передающий и приемный блок, составляющие вместе биотелеметрический комплекс, использующий радио или инфракрасный канал связи отличающееся тем, что в него введены микроконтроллер с дисплеем и клавиатурой, причем первый выход приемника, которым является демодулятор ЧСС электрокардиограммы, соединен с блоком выделения и регистрации ЧСС из ЭКГ, второй выход приемника, который является демодулятор импедансной пневмограммы, соединен с блоком выделения и регистрации минутного объема дыхания, а выходы этих блоков со-

единены первой и второй информационными шинами соответственно с микроконтроллером, выход которого соединен с жидкокристаллическим дисплеем, выход клавиатуры соединен третьей информационной шиной с микроконтроллером, причем жидкокристаллический дисплей является выходом приемного блока и всего устройства.

На фиг.1 изображена структурно-функциональная схема устройства, на которой изображено: 1 - блок электродов, 2 - тетраполярный импедансный пневмограф, 3 - электрокардиограф, 4 - модулятор, 5 - передатчик, С1 и С2 - разделительные конденсаторы, R1 и R2 вместе с конденсатором С3 образуют - ФНЧ, ФДИК и СДИК - инфракрасные фотодиод и светодиод (в паре), А - передающая антенна, 6 - приемник с приемной антенной А, 7 - блок дыхания с определением МОД, 8 - блок определения ЯСС, 9 - микроконтроллер (МК), 10 - клавиатура ввода данных в МК, 11 - жидкокристаллический дисплей (ЖКИ), 12 - источники питания, устройство также содержит канал связи - ИК или радиоканал, первую, вторую и третью информационные шины; на фиг.2 и 3 изображены диаграммы, поясняющие работу устройства.

Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.

Электроды-датчики 1 представляют собой диски 0 3-15 мм и толщиной 0,3-0,8 мм, выполненные из неокисляющего материала, например, олова; ИПГ 2 и ЭКГ 3 - импедансный и ЭКГ-каналы, применяемые в современной медицине в микроинтегральном исполнении; блоки ЧСС 8 и дыхания 7 - детекторы: частотной модуляции (ЧМ), время импульсной (ВИМ) и пр., в зависимости от типа модуляции; модулятор 4; передатчик 5 с передающей антенной или светодиодом, приемная антенна или фотодиод и приемник 6, см. «Биорадиотелеметрия», Свердловск, 1976, стр. 137-139; МК 9, клавиатура 10 и ЖК 11 -например, фирмы Jntel 80C 188 ЕС, см. каталог электронных компонентов, Россия - 99, М, ДОД ЭКА, 99, стр.487; блоки питания 12 на батарейках или аккумуляторах.

Блок электродов 1 соединен с токовыми выходами i ИПГ 2, а выходом напряжения U через раздельные конденсаторы С1 и С2 с входом ИПГ 2, а через

ФНЧ, образованный резисторами R1, R2 и конденсатором С3, - с входом ЭКГ 3, выходы которых соединены с входами модулятора 4, выход которого через передатчик 5 и выходную антенну А (ИК светодиод) образует выход канала связи передающего блока; приемная антенна А радиоканала (ПК фотодиод) приемного блока соединена с приемником 6, первый выход которого соединен с блоком ЧСС 8, а второй выход - с блоком дыхания 7, выходы ЧСС 8, блока дыхания 7 и клавиатуры 10 первой, второй и третьей информационными шинами соответственно соединены с МК 9, выход которого соединен с ЖКИ 11 параллельной шиной данных, а последовательной шиной данных RS232C с внешними потребителями.

Непосредственно процесс измерения происходит следующим образом. Проводится измерение ЧСС и МОД посредством размещения на грудной клетке пациента (в данном случае конькобежца) электродов 1, применяемых в импеданской пневмографии, выполняющих роль датчиков. Сигнал от них выделяется в соответствующих каналах обработки информации ИПГ 2 и ЭКГ 3, с выхода которых сигналы поступают на модулятор 4, где преобразуются в выбранную временную, частотную или фазовую модуляцию несущей передатчика 5, после чего эта информация передается в эфир по радиоканалу или ИК-каналу через антенну А или ИК светодиод. В приемном блоке (у тренера и/или врача), поступающая информация через приемную антенну А или ИКФД поступает на приемник 6, где усиливается и по выходам 1 и 2 поступает на блоки ЧСС 8 и дыхания 7, где декодируется и по первой и второй информационным шинам соответственно поступает на микроконтроллер (МК 9), который непрерывно производится вычисление (с частотой квантования) мультипликативного показателя (МП) состояния тренированности спортсмена.

Для достижения цели производится измерение основных параметров внешнего дыхания - ЧД, ДО и МОД (последняя может определяться как сумма ДО за 1 мин. или произведение ЧД на среднеарифметическую величину ДО за 1 мин) одновременно и синхронно с основными параметрами сердечнососудистой системы - ЧСС, минутным объемом крови - МОК, ударным объемом

крови - УО. Затем параметры дыхания и кровообращения перемножаются и их среднегеометрическая величина нормируется на 1 кг массы тела. В общем виде интегральная оценка И м:

Формула отражает физиологический факт транспортировки кислорода из воздуха последовательно респираторной и циркулярной системами, имеет размерность «л/мин/кг».

Для практического использования формулы необходимо учесть:

- проблемность получения и целесообразности данных МОК и УО;

- линейную, в первом приближении, связь с нагрузкой на организм как МОД, так и ЧСС, что требует устранения квадратичной характеристики при их перемножении;

- динамический диапазон МОД - до 10-20 раз, ЧД, ДО и ЧСС - 2-4 раза, что требует сбалансированного учета вклада этих параметров в формулу интегральной оценки энергобоеспечения организма.

Поэтому эмпирическая формула преобразована в более пригодную для применения:

Такой мультипликативный показатель позволяет проводить сравнение межиндивидуально в группе при одной и той же нагрузке, а также отследить динамику состояния организма при многократных измерениях у одного обследуемого.

При групповых исследованиях определяется стандартное отклонение (±) интегральной оценки по группе, и в случае выхода И м за верхний предел +<т у данного обследуемого делается вывод об избыточности нагрузки. В случае выхода за нижний предел - о делается вывод о недостаточности нагрузки и возможности ее увеличения, для данного обследуемого.

При изучении индивидуальной динамики увеличение тренированности отражается в минимизации И м.

В случае необходимости нормировки И м на единицу нагрузки, например, на 1000 кгм/мин, при велоэргометрической пробе, величина этой нагрузки может быть введена в знаменатель формулы.

Рассмотрим, например, использование единой сбалансированной интегральной оценки на данных обследованных 6 конькобежцев, для двух видов нагрузок: разминка и бег в% силы. Анализ параметров, сведенных в табл. показывает, что выполнение одинаковых упражнений у одного идет за счет форсирования дыхания, у другого - за счет сердечно-сосудистой системы. Индивидуальная оценка «стоимости нагрузки» усложнена, что подтверждается фиг.2. Использование нормированной интегральной оценки упрощает сравнительный анализ, что продемонстрировано на фиг.2 и 3. С ростом нагрузки интегральная оценка также меняется, но не одинаково у разных обследуемых (фиг.3). Можно считать, что обследуемый В не справлялся с заданием, в то время как Н, явно не догружен. Эти оценки совпали с оценкой тренера.

Вычисляемый МП передается на ЖКИ 11, где отображается в цифровой форме. В МК 9 посредством клавиатуры 10 вводятся: масса спортсмена, возраст, конституция, которые используются для задачи уставок, с которыми сравнивается МП. Если МП ниже U'' пор (см. табл.), то это хорошая тренированность, если же выше U'nop, то это перетренированность.

Т.о. предлагаемое устройство позволяет объективно оценить состояние тренированности спортсмена и скорректировать физические нагрузки в нужную сторону, поддерживая оптимальную физическую форму, путем минимизации И м.

ТаблицаКардиореспираторные параметры (МОД, ЧСС) и интегральная оценка (U, LJ м) для разминки и бега в% силы конькобежцев
Испытуемый	МОД, л (S ТРД)		ЧСС, 1/мин		U		U м		М, кг
	I	II	I	II	I	II	I	II
А	19,4	33.7	186	192	28.6	33.36	0.447	0.525	64
В	18,2	27.4	180	200	27.7	34.06	0454	0.558	61
С	30,1	46.7	134	170	27.1	34.07	0.357	0.448	76
д	28,6	40.0	177	180	30.1	33.72	0.396	0.444	76
Е	25,4	33.0	134	177	26.0	33.40	0.377	0.484	69
Н	21,3	37.5	138	170	25.2	32.24	0.315	0.404	80
Х±=U±U I,II пор					27,45±1,61	33,48 ±0,69	0,391 ±0,051	0,477 ±0,057

Примечание: 1. М - масса тела обследуемого, кг.

2. Интегральная оценка (ИО): U=МОД·ЧСС

3. Нормированная ИО: U м=U/M

Устройство определения тренированности спортсменов, содержащее блок электродов-датчиков, тетраполярный импедансный пневмограф и электрокардиограф, передающий и приемный блок, составляющие вместе биотелеметрический комплекс, использующий радио или инфракрасный канал связи, отличающееся тем, что в него введены микроконтроллер с дисплеем и клавиатурой, причем первый выход приемника, которым является демодулятор ЧСС электрокардиограммы, соединен с блоком выделения и регистрации частоты сердечных сокращений (ЧСС) из ЭКГ, второй выход приемника, которым является демодулятор импедансной пневмо-граммы, соединен с блоком выделения и регистрации минутного объема дыхания, а выходы этих блоков соединены первой и второй информационными шинами соответственно с микроконтроллером, выход которого соединен с жидкокристаллическим дисплеем, выход клавиатуры соединен третьей информационной шиной с микроконтроллером, причем жидкокристаллический дисплей является выходом приемного блока и всего устройства.