[1]Изобретение относится к области медицины, в частности к физиологии труда, а именно к методам количественного определения персонализированных суточных энерготрат человека и может быть использовано в лечебно-профилактических учреждениях, врачебно-физкультурных диспансерах, спортивно-оздоровительных комплексах.
[2]Актуальность количественного определения суточных энерготрат человека обусловлена необходимостью проведения специальной оценки условий труда, позволяющей устанавливать нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах, на основе которыхразрабатыватьсбалансированный рацион питания для различных групп населенияс низким (работники преимущественно умственного труда), средним (водители, растениеводы), высокими и очень высокими (строители, железнодорожники, шахтеры, спортсмены) уровнями физической активности. [Методические рекомендации MP 2.3.1.2432-08 "Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации" (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 18 декабря 2008 г.)]. Суточные энерготраты человека складываются из величины основного обмена и расхода энергии на выполнение физической работы. При этом вариабельность суточных энерготрат главным образом зависит от уровня физической активности [Питание человека (основы нутрициологии): Учеб. пособие для мед. вузов / А.Н. Мартинчик, И.В. Маев, А.Б. Петухов; Под ред. А.Н. Мартинчика. - М.: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2002].
[3]Наиболее известным способом количественного определения энерготрат при физической активности является хронометражно-табличный способ [Потребности в энергии и белке: доклад Объединенного консультативного совещания экспертов ФАО, ВОЗ и УООН. World Health Organization, Женева, 1987; Ляпин В.А. Гигиеническая оценка питания: учебное пособие / В.А. Ляпин, Т.Н. Соломка, Е.В. Коваленко - Омск: Изд-во СибГУФК, 2012]. Способ заключается в проведении хронометража отдельных видов деятельности человека в течение суток и последующего расчета энерготрат с использованием специальных таблиц, содержащих нормированные данные по отдельным видам деятельности. К недостаткам способа относятсяотсутствие учета индивидуальных особенностей энерготрат человека при физической нагрузке, а также длительность наблюдения и ведения хронометража квалифицированным исследователем (в течение суток) с описанием каждого этапа деятельности в режиме реального времени.
[4]Еще одним распространенным способом оценки энерготрат является способ непрямой калориметрии [RamanA., SchoellerD.A. Energy expenditure. Indirect calorimetry. Encyclopedia of Human Nutrition / Ed. B. Caballero. - Maryland: Academic Press, 2005]. Способ основан на расчетах затрат энергии по разнице данных, полученных при измерении концентрации кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. К недостаткам этого способа следует отнести невозможность проведения измерений газообмена в течение продолжительного времени, невозможность измерений отдельных трудовых действий и нарушение режима трудовой деятельности.
[5]Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ оценки энерготрат с помощью метода пульсометрии с использованием индивидуальной зависимости энерготрат от ЧСС, [Лавриненко С.В., Выборная К.В., Соколов А.И., Кобелькова И.В., Пузырева Г.А., Клочкова С.В., Никитюк Д.Б. Перспективы использование метода пульсометрии для оценки энерготрат и уровня гидратации у спортсменов различных групп спорта. Сборник научных трудов, посвященный 120-летию со дня рождения профессора Н.И. Одноралова и 100-летию ВГМУ им. Н.Н. Бурденко, 2018].
[6]Метод заключается в измерении величины энерготрат в состоянии покоя, энерготрат при дозированной пошаговой нагрузке на велоэргометре с шагом 25 Вт в минуту с помощью эргоспирометра беспроводного Oxycon Mobile VIASYS Healthcare GmbH с одновременной регистрацией частоты сердечных сокращений (далее ЧСС).
[7]Результаты измерений при ступенчатой физической нагрузке используют для построения индивидуальных калибровочных зависимостей персональных энерготрат от ЧСС.
[8]Получают индивидуальную калибровочную линейную аппроксимацию зависимости энерготрат от ЧСС (фиг. 1).
[9]Затем проводят суточную пульсометрию (мониторинг ЧСС) с помощью кистевого пульсометра Mio Alpha 2.
[10]Данные мониторинга ЧСС с помощью полученного индивидуального калибровочного линейного уравнения пересчитывают в величину энерготрат за определенный период времени и сутки в целом по формуле вида
[11]
[13]ЭТ - энерготраты, ккал/мин
[14]ЧСС - частота сердечных сокращений мин-1
[15]а, b - числовые параметры, величина которых определяется методом наименьших квадратов для каждого испытуемого.
[16]Недостатком этого способа является, во-первых, то, что при однократном измерении величин энерготрат в покое и при нагрузке невозможно гарантировать достоверность этих показателей, зависящих от ряда случайных факторов;
[17]во-вторых, то, что при экстраполяции линейной зависимости энерготрат от ЧСС в области нижних и верхних значений ЧСС получают ложные, физиологически неоправданные значения энерготрат.
[18]Технической задачей заявленного технического решения является создание способа позволяющего наиболее точно определить персонализированные энерготраты.
[19]Техническим результатом предлагаемого способа является получение количественных физиологически оправданных величин энерготрат человека в процессе любого вида трудовой деятельности без ограничения ее обычного режима.
[20]Указанный технический результат достигается способом определения персонализированных суточных энерготрат путем пульсометрии, включающий сбор данных для получения калибровочной зависимости энерготрат от частоты сердечных сокращений, мониторинг частоты сердечных сокращений (ЧСС), с помощью кистевого пульсометра, и преобразование полученных данных ЧСС в энерготраты по формуле калибровочной зависимости, при этом для получения калибровочной зависимости сбор данных проводят троекратно за период длительностью не более 10 дней, мониторинг частоты сердечных сокращений проводятс помощью кистевого пульсометра с функцией 24-часовой записи и сохранением цифровых данных в файле, пригодном для математической обработки, а полученные данные преобразуют в энерготраты по формуле сигмоиды ЭТ=ЭТП+k1/(1+ехр(k2×(ЧСС-k3))), где ЭТ - энерготраты, ккал/мин, ЭТП - энерготраты в покое, ккал/мин, ЧСС - частота сердечных сокращений, мин-1, k1, k2, k3 - числовые параметры, отражающие индивидуальные физиологические показатели организма человека.
[21]Отличительной особенностью способа является трехкратное измерение энерготрат и ЧСС в покое и при физической нагрузке, что гарантирует достоверность индивидуальных показателей, дает возможность сформировать массив данных, который позволяет представить зависимость энерготрат от ЧСС в виде сигмоиды, повысить точность определения энерготрат в течение суток, и для диапазонов низкой и высокой ЧСС получать физиологически оправданные величины.
[23]Вначале проводят измерение величины энерготрат в покое. Измерения проводят утром, натощак, в положении лежа в течение 10 минут с помощью эргоспирометра беспроводного Oxycon Mobile VIASYS Healthcare GmbH. Одновременно с измерением энерготрат проводят измерение ЧСС с помощью нагрудного пульсометра Polar. Сразу после измерения энерготрат в покое проводят измерения энерготрат и ЧСС при нагрузке на велоэргометре NeoMotion с пошаговым увеличением нагрузки на 25 Вт в минуту в течение не более 10 минут. Измерения величин энерготрат в покое и при нагрузке повторяют в другие дни, всего трижды, за период длительностью не более 10 дней.
[24]Полученный на основании троекратного измерения величин энерготрати ЧСС в покое и при нагрузке массив данных используют для получения персональной аналитической сигмовидной зависимости вида
[25]
[27]ЭТ - энерготраты, ккал/мин
[28]ЭТП - энерготраты покоя, ккал/мин
[29]ЧСС - частота сердечных сокращений мин-1
[30]k1, k2, k3 - числовые параметры, величина которых определяется методом наименьших квадратов по массиву индивидуальных данных для каждого испытуемого.
[31]Размерности параметров персональной зависимости:
[33]k2 - безразмерный параметр
[35]Далее в течение суток измеряется ЧСС с помощью кистевого пульсометра с функцией 24-часовой записи и сохранения цифровых данных в файле, пригодном для математической обработки. Полученную суточную пульсограмму преобразуют с помощью персонализированной калибровочной зависимости в гистограмму суточных энерготрат. Энерготраты за любой интересующий отрезок времени получают интегрированием.
[37]Определение суточных энерготрат и энерготрат за отдельные периоды суток. Пациент К., мужчина 27 лет, вес 81 кг, рост 181 см
[38]Вначале измеряют энерготраты в состоянии покоя. Измерение проводят утром, после полноценного ночного сна, натощак. Пациент находится в положении лежа при температуре комфорта, в состоянии полного физического покоя и отсутствия каких-либо внешних раздражителей.
[39]Измерение энерготрат в покое проводят с помощью метаболографа Oxycon Mobile VIASYS Healthcare GmbH методом непрямой калориметрии по составу выдыхаемого воздуха.
[40]Измерение частоты сердечных сокращение в покое (ЧСС) проводят с помощью нагрудного регистратора Polar.
[41]В результате проведенных измерений получают попарные величины энерготрат в покое и соответствующие им величины ЧСС (табл. 1)
[42]
[43]Далее проводят измерения энерготрат при физической нагрузке. Дозированную нагрузку задают с помощью велоэргометра NeoMotionc 8 ступенями интенсивности, при постоянной скорости вращения 20 км/час (60 rpm). Первая ступень велонагрузки при скорости вращения 20 км/час (60 rpm) соответствует мощности 25 Вт. Длительность нагрузки первой ступени составляет 1 минуту. Длительность второй и последующих ступеней велонагрузки также длятся по 1 минуте на каждую ступень. С каждой новой ступенью нагрузка возрастает на 25 Вт. Последний шаг 8 ступени соответствует мощности нагрузки 200 Вт. Длительность полного тестирования с возрастающей физической нагрузкой составляет 8 минут без учета периода восстановления.
[44]В ходе нагрузочного тестирования регистрируют одновременно величины энерготрат и соответствующие им величины ЧСС (табл. 2).
[45]
[46]Затем величины энерготрат и ЧСС в покое (табл. 1) объединяют с величинами энерготрат и ЧСС, измеренными при нагрузке (табл. 2).
[47]Процедуры измерений энерготрат в покое и при физической нагрузке повторяют еще 2 раза за период длительностью не более 10 дней. Всего в сумме получают 3 повтора измерений энерготрат в покое и при нагрузке.
[48]Полученные в результате 3-кратных повторов 2 ряда данных (энерготрат и ЧСС) используют для расчета параметров зависимости энерготрат и ЧСС.
[49]Процедура расчета параметров формулы зависимости энерготрат от ЧСС.
[50]Общий вид зависимости энерготрат (ЭТ) от ЧСС описывается уравнением сигмоиды (2), где
[51]k1 (ккал/мин) - соответствует верхнему уровню сигмоиды (верхнее плато). Количественно k1 равно разнице между максимально возможными энерготратами (ЭТмакс) и минимальными энерготратами (ЭТпокоя).
[52]k2 (мин) - отражает крутизну наклона сигмоиды.
[53]k3 (мин-1) - является точкой перегиба сигмоиды. То есть означает ЧСС, при которой заканчивается прирост энергетического пульса и начинается его снижение.
[54]Уравнение сигмоиды (2) содержит 4 персонализированных параметра: ЭТП, k1, k2, k3.
[55]ЭТП (ккал/мин), энерготраты в состоянии покоя, рассчитывают по формуле Миффлина с учетом массы тела, роста, возраста и пола.
[56]
[60]В - возраст, количество лет.
[61]Для пациента К. ЭТП=1,25 ккал/мин
[62]Для количественной оценки параметров k1, k2, k3 используют метод наименьших квадратов. Для пациента К. эти параметры имеют следующие значения:
[66]В результате для пациента К. получают аналитическую зависимость, связь энерготрат и ЧСС, аппроксимирующую фактические данные, полученные в результате измерений.
[67]
[68]Полученная формула (4), отражающая связь энерготрат и ЧСС, позволяет определять, какие энерготраты пациента К. соответствуют конкретной ЧСС (фиг. 2).
[70]Мониторинг частоты сердечных сокращение проводят с помощью кистевого пульсометра (запястного регистратора в виде наручных часов). Регистрацию ЧСС проводят на протяжении полных суток (1440 мин), с 17.39 до 17.39 следующего дня.
[71]Данные мониторинга ЧСС на протяжении суток включают в себя разные виды физической активности, включая периоды сна, отдыха, рабочего периода и свободного от работы времени (фиг. 3)
[72]Анализу ЧСС можно подвергать любой из интересующих для изучения периодов сна, отдыха, отдельных видов деятельности в рабочий период или во время досуга. Для формирования сбалансированного питания в первую очередь интерес представляет физическая активность и суточные энерготраты.
[73]Преобразование суточной пульсограммы (ЧСС) в суточный профиль энерготрат
[74]Для преобразования пульсограммы в суточный профиль энерготрат используют уравнение взаимосвязи энерготрат и ЧСС для пациента К. (4).
[75]Суточный профиль энерготрат приведен на фиг. 4.
[76]Суммарные энерготраты за сутки (ккал/сут) получали суммированием всех энерготрат на протяжении суток. Энерготраты за отдельный период любой интересующий нас деятельности получали суммированием и усреднением энерготрат (ккал или ккал/мин). Результаты представлены в табл. 3
[77]
[78]
[80]Определение суточных энерготрат и энерготрат сна и бодрствования.
[81]Пациент С., мужчина 23 года, рост 185, вес 67,7 кг.
[82]Процедура измерения энерготрат в покое та же, что и в примере 1.
[83]Результаты измерения энерготрат пациента С. в покое представлены в табл. 4.
[84]
[85]Измерения энерготрат при физической нагрузке.
[86]Физическая нагрузка включала в себя 8 шагов велоэргометра от 25 до 200 Вт длительностью 1 мин на каждый шаг. Результаты представлены в табл. 5
[87]
[88]Попарные величины энерготрат и ЧСС, измеренные в состоянии покоя (табл. 4) объединяют с результатами нагрузочного тестирования (табл. 5).
[89]Процедуры измерений энерготрат в покое и при физической нагрузке повторяют еще 2 раза. Всего в сумме получают 3 пары измерений энерготрат в покое и при нагрузке.
[90]Полученные в результате попарные ряды данных энерготрат и ЧСС используют для расчета параметров зависимости энерготрат и ЧСС.
[91]Расчет параметров зависимости энерготрат от ЧСС.
[92]Расчетная величина энерготрат в покое пациента С. рассчитана по формуле Миффлина (2) составляет:
[94]Методом наименьших квадратов рассчитывают параметры сигмовидной зависимости:
[98]Таким образом, для пациента К. получают аналитическую зависимость, связь энерготрат и ЧСС, хорошо аппроксимирующую фактические данные, полученные в результате измерений (фиг. 5).
[99]
[100]Полученная формула (5) используется для преобразования суточного мониторинга ЧСС в суточный профиль энерготрат.
[101]Запись суточной ЧСС.
[102]Регистрацию ЧСС проводили на протяжении полных суток (1440 мин), с 11.12 утра до 11.12 утра следующего дня. Суточная пульсограмма пациента С. приведена на фиг. 6.
[103]Преобразование ЧСС в энерготраты.
[104]Используя персональную калибровочную зависимость энерготрат от ЧСС (5), пересчитывали величины ЧСС в энерготраты. Результаты пересчета приведены на фиг. 7.
[105]На фиг. 7 указаны максимумы энерготрат отдельных моментов физической активности (ккал/мин).
[106]Суммарные энерготраты за сутки (ккал/сут) получали суммированием всех энерготрат за полные сутки. Энерготраты за отдельные периоды получали суммированием и усреднением по времени (ккал/мин). Результаты представлены в табл. 6.
[107]
