RU2514885C1

RU2514885C1 - Method for indirect evaluation of individual oxygen consumption

Info

Publication number: RU2514885C1
Application number: RU2013104123/14A
Authority: RU
Inventors: Артем Валерьевич Демин; Анатолий Иванович Иванов; Олег Игоревич Орлов; Александр Владимирович Суворов
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-05-10

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: Kerdo index and relevant oxygen consumption are pre-measured at different physical activity levels. A relation model of the Kerdo index and the amount of oxygen consumption (litres per minute) are used to derive: z=a₁·x+a₂·y+a₀, wherein z is a measured intensity of the activity, x is a measured Kerdo index, y is a body response in the form of oxygen consumption (l/min); coefficients a₁, a₂, a₀ are calculated. The amount of individual oxygen consumption is derived from the measured Kerdo index and intensity of the activity by formula

y = \frac{z - a_{0} - a_{1} \cdot x}{a_{2}},

wherein a₁, a₂, a₀ are pre-determined coefficients.

EFFECT: method enables the adequate evaluation of the individually consumed oxygen on physical activity using no gas analysis equipment.

1 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области математической биологии, а именно к спортивной, подводной и авиакосмической физиологии. Предлагаемая методика может быть использована как в спортивных и оздоровительных целях (например, при подготовке спортсменов), так и в целях подготовки и контроля персонала (экипажа), длительное время изолированно пребывающего по роду практической деятельности в условиях подводных и авиакосмических исследований, а также связанных с деятельностью человека, находящегося в экстремальных условиях.The invention relates to the field of mathematical biology, namely to sports, underwater and aerospace physiology. The proposed methodology can be used both for sports and recreational purposes (for example, in training athletes), and for the purpose of training and monitoring personnel (crew), who have been in isolation for a long time by type of practical activity in underwater and aerospace research, as well as related activities of a person in extreme conditions.

Знание количества потребляемого человеком кислорода при разных видах деятельности является одним из важных инструментов исследования жизнедеятельности экипажей гермообъектов [Олизаров В.В. Системы обеспечения жизнедеятельности экипажей летательных аппаратов. Под ред. В.А. Боднера. М.: Издание ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1962. с.13] и оценки их работоспособности [Аулик И.В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. М.: Медицина. 1979. с.54]. Колебания изменений потребления кислорода на протяжении суток зависит от чередования разных нагрузок на человека, в том числе связанных с постуральными изменениями.The knowledge of the amount of oxygen consumed by a person during various types of activity is one of the important tools for studying the vital functions of crews of pressure objects [Olizarov V.V. Life support systems for crews of aircraft. Ed. V.A. Bodner. M .: VVIA them. NOT. Zhukovsky. 1962. p.13] and assess their performance [Aulik I.V. Determination of physical performance in the clinic and sports. M .: Medicine. 1979. p. 54]. Fluctuations in changes in oxygen consumption during the day depends on the alternation of different loads on a person, including those associated with postural changes.

Известны разные инструментальные методы оценки потребления кислорода на уровне всего организма [Физиология человека. Под ред. Р.Шмидта, Г.Тевса. В 3-х томах. Т.3, М.: Мир. 2010. с.660 - прототип]. Однако применение известных методов подразумевает обязательное наличие газоаналитической аппаратуры, калибровочного оборудования к ней, замену комплектующих, например датчиков, имеющих ограниченный срок хранения. В свою очередь, калибровочное оборудование включает наличие сосудов под высоким давлением, использование которых согласно содержанию требований норм к безопасности может быть недопустимо в условиях барокамер и других гермообъектов, включая космические летательные аппараты (КЛА). Кроме того, даже простая транспортировка баллонов с калибровочными газами под высоким давлением в труднодоступные места, например околоземное пространство, сопряжена с высоким риском и является дорогостоящей.There are various instrumental methods for assessing oxygen consumption at the level of the whole organism [Human physiology. Ed. R. Schmidt, G. Teus. In 3 volumes. V.3, M .: World. 2010. p.660 - prototype]. However, the use of known methods implies the mandatory presence of gas analysis equipment, calibration equipment for it, the replacement of components, for example sensors with a limited shelf life. In turn, calibration equipment includes the presence of high-pressure vessels, the use of which, according to the content of the requirements of safety standards, may be unacceptable in conditions of pressure chambers and other pressurized objects, including spacecraft (KLA). In addition, even the simple transportation of high-pressure calibration gas cylinders to inaccessible places, such as near-Earth space, is associated with high risk and is expensive.

Изобретенный нами метод определения потребления кислорода человеком полностью исключает необходимость в транспортировке описанного выше оборудования в космос и другие труднодоступные места.The method we invented for determining oxygen consumption by humans completely eliminates the need to transport the equipment described above to space and other hard-to-reach places.

Известно также, что косвенные результаты измерений могут быть не менее точными, чем результаты прямых измерений. Такой подход в естествознании известен и описан [Бурмистров Г.А. Основы способа наименьших квадратов. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр. 1963. с.119-208; Агекян Т.А. Теория вероятностей для астрономов и физиков. Учебное пособие. М.: Наука. 1974. с.197; Мазмишвили А.И. Способ наименьших квадратов. М.: Недра. 1968. с.180-231].It is also known that indirect measurements can be no less accurate than direct measurements. Such an approach in natural science is known and described [Burmistrov G.A. The basics of the least squares method. M .: State scientific and technical publishing house of literature on geology and mineral resources protection. 1963. p.119-208; Agekyan T.A. Probability Theory for Astronomers and Physicists. Tutorial. M .: Science. 1974. p.197; Mazmishvili A.I. Least squares method. M .: Subsoil. 1968. S. 180-231].

Поэтому одним из перспективных направлений является изучение взаимосвязи физиологических параметров оптимального функционирования членов экипажей пилотируемых объектов [Шибанов Г.П. Обитаемость космоса и безопасность пребывания в нем человека. М.: Машиностроение. 2007. 544 с.; Ханин М.А., Дорфман Н.Л., Бухаров И.Б. и др. Экстремальные принципы в биологии и физиологии. М.: Наука. 1978. 256 с].Therefore, one of the promising areas is the study of the relationship of physiological parameters of the optimal functioning of crew members of manned objects [G. Shibanov Inhabitability of the cosmos and the safety of man's stay in it. M .: Engineering. 2007.554 s .; Khanin M.A., Dorfman N.L., Bukharov I.B. and others. Extreme principles in biology and physiology. M .: Science. 1978. 256 s].

Задачей предлагаемого изобретения является разработка нового способа адекватной оценки количества потребляемого кислорода человеком без применения дорогостоящей газоаналитической аппаратуры на основании измерения физиологической характеристики вегетативной нервной системы и дозированной нагрузки на организм.The objective of the invention is to develop a new method for adequately estimating the amount of oxygen consumed by a person without the use of expensive gas analytical equipment based on measuring the physiological characteristics of the autonomic nervous system and the dosage load on the body.

Достигаемым техническим результатом является определение количества потребленного кислорода человеком на основании измерения дозированной нагрузки на велоэргометре и индекса Кердо.Achievable technical result is the determination of the amount of oxygen consumed by a person on the basis of measuring the dosage load on the bicycle ergometer and the Kerdo index.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

1. Строят модель связи вегетативного индекса Кердо и количества потребления кислорода (в литрах в минуту).1. Build a model of the relationship of the vegetative index of Kerdo and the amount of oxygen consumption (in liters per minute).

Для чего выполняют измерение индекса Кердо и соответствующего ему потребления кислорода при разных уровнях физической нагрузки: 0, 60, 75, 90 Вт и т.д. вплоть до максимального потребления кислорода.Why measure the Kerdo index and the corresponding oxygen consumption at different levels of physical activity: 0, 60, 75, 90 watts, etc. up to the maximum oxygen consumption.

В качестве модели зависимости нами найдена зависимость:As a model of dependence, we found the dependence:

$z = a_{1} \cdot x + a_{2} \cdot y + a_{0} (1.1)$

z = a_{one} \cdot x + a_{2} \cdot y + a_{0} (1.1)

где z - детерминированное, то есть заведомо задаваемое на измерительном устройстве (например, велоэргометре), значение мощности нагрузки, х - измеряемое значение вегетативного индекса Кердо, y - отклик организма в виде количества потребляемого кислорода (л/мин), a₁, a₂, a₀ - линейные коэффициенты, значения которых находятся для конкретного испытуемого в лабораторных условиях методом наименьших квадратов.where z is deterministic, that is, knowingly set on a measuring device (for example, a bicycle ergometer), the load power value, x is the measured value of the Kerdo vegetative index, y is the body response in the form of the amount of oxygen consumed (l / min), a ₁ , a ₂ , a ₀ - linear coefficients, the values of which are found for a particular subject in the laboratory by the least squares method.

Пример 1. Для испытателя К. уравнение связи в виде линейной функции двух переменных имеет вид:Example 1. For tester K., the equation of communication in the form of a linear function of two variables has the form:

$z = 23.06 \cdot x + 82.7 \cdot y - 28.2 (1.2)$

z = 06/23 \cdot x + 82.7 \cdot y - 28.2 (1.2)

На фиг.1 представлена трехмерная графическая интерпретация модели (1.2) для испытателя К. Видна наиболее удобная для восприятия точка обзора. По оси абсцисс и ординат соответственно - индекс Кердо и потребление кислорода. По оси аппликат - нагрузка (Вт). Значения коэффициентов a₁=23.06, a₂=82.7, a₀=-28.2 найдены методом наименьших квадратов.Figure 1 shows a three-dimensional graphical interpretation of the model (1.2) for the tester K. The most convenient viewing point is visible. The abscissa and ordinate are the Kerdo index and oxygen consumption, respectively. The applicate axis is the load (W). The values of the coefficients a ₁ = 23.06, a ₂ = 82.7, a ₀ = -28.2 were found by the least square method.

Модель (1.2) является индивидуальной характеристикой организма испытателя К. Для других испытателей с помощью лабораторных экспериментов использован метод наименьших квадратов, нужно найти их индивидуальные значения характеристик a₁, a₂, a₀.Model (1.2) is an individual characteristic of the body of the tester K. For other testers using the laboratory experiments, the least squares method is used, you need to find their individual values of the characteristics a ₁ , a ₂ , a ₀ .

2. Зная индивидуальную модель испытателя, и в других случаях, в которых измерение потребления кислорода невозможно или связано со значительными материальными затратами, потребление кислорода определяют по формуле (где значения коэффициентов a₁, а₂, а₀ определены на этапе построения модели, см. п.1):2. Knowing the individual model of the tester, and in other cases in which the measurement of oxygen consumption is impossible or associated with significant material costs, oxygen consumption is determined by the formula (where the values of the coefficients a ₁ , ₂ , and _{0 are} determined at the stage of model building, see p.1):

$y = \frac{z - a_{0} - a_{1} \cdot x}{a_{2}} . (1.3)$

y = \frac{z - a_{0} - a_{one} \cdot x}{a_{2}} . (1.3)

Общий объем потребляемого кислорода испытателем вычисляется какThe total oxygen consumed by the tester is calculated as

$Q_{y} = \int_{a}^{b} \int_{c}^{k} \frac{z - a_{0} - a_{1} \cdot x}{a_{2}} d x d y, (1.4)$

Q_{y} = \int_{a}^{b} \int_{c}^{k} \frac{z - a_{0} - a_{one} \cdot x}{a_{2}} d x d y, (1.4)

где a, b - зарегистрированные границы значений индекса Кердо, c, k - границы значений мощности нагрузки.where a, b are the registered boundaries of the Kerdo index values, c, k are the boundaries of the load power values.

Метод расчета применим, в том числе, для состояния относительного покоя, в котором нагрузка считается равной нулю.The calculation method is applicable, inter alia, for the state of relative rest, in which the load is considered equal to zero.

С помощью многомерного критерия Фишера-Снедекора нами в 2011-2012 гг. выполнена проверка адекватности метода на 30 практически здоровых испытуемых в ходе фоновых исследований экспериментов ГНЦ Института медико-биологических проблем РАН «Марс-500», «Гелий-11», «Аргон-11» и «Аргон-12», одобренных Биоэтической комиссией института.Using the multidimensional Fisher-Snedecor criterion, we in 2011-2012. the adequacy of the method was tested for 30 healthy subjects in the background studies of the SSC Institute of Biomedical Problems RAS Mars-500, Helium-11, Argon-11, and Argon-12, approved by the Institute’s Bioethical Commission.

В результате проверки установлено, что вероятность ошибки метода близка к нулю (≈10^-21). Нами установлено, что среди испытателей экспериментов максимальное зарегистрированное потребление кислорода было 4.7 л/мин. У спортсменов экстра-класса этот показатель может достигать 6 л/мин.As a result of the verification, it was found that the probability of the method error is close to zero (≈10 ^-21 ). We found that among the experimental testers, the maximum recorded oxygen consumption was 4.7 l / min. In extra-class athletes, this figure can reach 6 l / min.

В результате численной апробации моделей в экспериментах «Марс-500», «Гелий-11», «Аргон-11» и «Аргон-12» установлено, что разработанная методика является достаточно точной для решения задач жизнеобеспечения экипажей КЛА.As a result of numerical testing of models in the Mars-500, Helium-11, Argon-11, and Argon-12 experiments, it was established that the developed methodology is accurate enough to solve the life support problems of spacecraft crews.

Пример 2. Из измерений на велоэргометре известно, что у испытателя эксперимента «Гелий-11» К при значении нагрузки 210 Вт значение индекса Кердо составило +0.41.Example 2. From measurements on a bicycle ergometer, it is known that the tester of the experiment "Helium-11" K with a load value of 210 W, the value of the Kerdo index was +0.41.

Определяем: $y = \frac{210 + 28.2 - 23.06 \cdot 0.41}{82.7} = 2.76 л/мин$

- соответствующее потребление кислорода.We determine:

y = \frac{210 + 28.2 - 06/23 \cdot 0.41}{82.7} = 2.76 l / min

- appropriate oxygen consumption.

Вместе с тем известно, что в результате измерений данный испытатель при нагрузке 210 Вт и индексе Кердо +0.41 потреблял кислорода 2.92 л/мин. То есть, предсказанный с помощью модели результат, найденный без выполнения измерений газоаналитической аппаратурой количества потребляемого кислорода, 2.76 л/мин, незначительно отличается от зарегистрированного инструментально результата 2.92 л/мин.However, it is known that, as a result of measurements, this tester at a load of 210 W and a Kerdo index of +0.41 consumed 2.92 l / min of oxygen. That is, the result predicted by the model, found without measuring the amount of oxygen consumed by gas analytical equipment, 2.76 l / min, slightly differs from the recorded instrumental result of 2.92 l / min.

Вывод. Зная модель (1.1) с найденными методом наименьших квадратов значениями коэффициентов a₁, а₂, а₀ для данного испытателя, измерения потребляемого им кислорода можно не выполнять, а предсказать заранее достаточно точно. Этим методом можно воспользоваться, например, на борту КЛА, где длительное измерение потребляемого кислорода сопряжено со значительными техническими и экономическими трудностями. Наш же способ позволит, в том числе, индивидуально косвенно мониторировать потребление кислорода на борту МКС без применения газоаналитической аппаратуры.Output. Knowing the model (1.1) with the values of the least squares method found for the coefficients a ₁ , ₂ , and ₀ for a given tester, measurements of the oxygen consumed by him can not be performed, but rather predicted in advance. This method can be used, for example, on board a spacecraft, where long-term measurement of oxygen consumption is associated with significant technical and economic difficulties. Our method will allow, including individually individually indirectly monitoring the oxygen consumption on board the ISS without the use of gas analytical equipment.

Claims

A method for determining the amount of oxygen consumption by a person during physical exertion, which consists in preliminarily measuring the Kerdo index and the corresponding oxygen consumption at different levels of physical activity based on the relationship model of the vegetative Kerdo index and the amount of oxygen consumption (in liters per minute): z = a ₁ · x + a ₂ · y + a ₀ , where z is the load power value set on the measuring device, x is the measured value of the Kerdo vegetative index, y is the response of the body in the form of the amount of consumed chloride (l / min); determine the values of the coefficients a ₁ and ₂ , a ₀ ; subsequently, the amount of oxygen consumption by a person is determined on the basis of the measured Kerdo index and the load power value according to the formula

, where a ₁ , a ₂ , a ₀ are coefficients whose values are predefined.