Способ определения персонализированных суточных энерготрат путем пульсометрии
Владельцы патента RU 2699953:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи" (RU)
Изобретение относится к области медицины, в частности к физиологии труда, а именно к методам определения персонализированных суточных энерготрат человека, и может быть использовано в лечебно-профилактических учреждениях, врачебно-физкультурных диспансерах, спортивно-оздоровительных комплексах. Предложен способ 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. Для получения калибровочной зависимости сбор данных проводят троекратно за период длительностью не более 10 дней, мониторинг частоты сердечных сокращений проводят с 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. Изобретение обеспечивает повышение точности определения энерготрат в течение суток, а также обеспечивает возможность их оценки на каждом этапе трудовой деятельности и отдыха в течение суток и для диапазонов низкой и высокой ЧСС получать физиологически оправданные величины. 7 ил., 6 табл.
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.
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].
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.
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.
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].
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).
Результаты измерений при ступенчатой физической нагрузке используют для построения индивидуальных калибровочных зависимостей персональных энерготрат от ЧСС.
Получают индивидуальную калибровочную линейную аппроксимацию зависимости энерготрат от ЧСС (фиг. 1).
Затем проводят суточную пульсометрию (мониторинг ЧСС) с помощью кистевого пульсометра Mio Alpha 2.
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
где
ЭТ - энерготраты, ккал/мин
ЧСС - частота сердечных сокращений мин-1
а, b - числовые параметры, величина которых определяется методом наименьших квадратов для каждого испытуемого.
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;
во-вторых, то, что при экстраполяции линейной зависимости энерготрат от ЧСС в области нижних и верхних значений ЧСС получают ложные, физиологически неоправданные значения энерготрат.
Технической задачей заявленного технического решения является создание способа позволяющего наиболее точно определить персонализированные энерготраты.
Техническим результатом предлагаемого способа является получение количественных физиологически оправданных величин энерготрат человека в процессе любого вида трудовой деятельности без ограничения ее обычного режима.
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.
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.
ОПИСАНИЕ СПОСОБА
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.
Полученный на основании троекратного измерения величин энерготрати ЧСС в покое и при нагрузке массив данных используют для получения персональной аналитической сигмовидной зависимости вида
где
ЭТ - энерготраты, ккал/мин
ЭТП - энерготраты покоя, ккал/мин
ЧСС - частота сердечных сокращений мин-1
k1, k2, k3 - числовые параметры, величина которых определяется методом наименьших квадратов по массиву индивидуальных данных для каждого испытуемого.
Размерности параметров персональной зависимости:
k1 - ккал/мин
k2 - безразмерный параметр
k3 - мин-1
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.
Пример 1.
Определение суточных энерготрат и энерготрат за отдельные периоды суток. Пациент К., мужчина 27 лет, вес 81 кг, рост 181 см
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.
Измерение энерготрат в покое проводят с помощью метаболографа Oxycon Mobile VIASYS Healthcare GmbH методом непрямой калориметрии по составу выдыхаемого воздуха.
Измерение частоты сердечных сокращение в покое (ЧСС) проводят с помощью нагрудного регистратора Polar.
В результате проведенных измерений получают попарные величины энерготрат в покое и соответствующие им величины ЧСС (табл. 1)
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.
В ходе нагрузочного тестирования регистрируют одновременно величины энерготрат и соответствующие им величины ЧСС (табл. 2).
Затем величины энерготрат и ЧСС в покое (табл. 1) объединяют с величинами энерготрат и ЧСС, измеренными при нагрузке (табл. 2).
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.
Полученные в результате 3-кратных повторов 2 ряда данных (энерготрат и ЧСС) используют для расчета параметров зависимости энерготрат и ЧСС.
Процедура расчета параметров формулы зависимости энерготрат от ЧСС.
Общий вид зависимости энерготрат (ЭТ) от ЧСС описывается уравнением сигмоиды (2), где
k1 (ккал/мин) - соответствует верхнему уровню сигмоиды (верхнее плато). Количественно k1 равно разнице между максимально возможными энерготратами (ЭТмакс) и минимальными энерготратами (ЭТпокоя).
k2 (мин) - отражает крутизну наклона сигмоиды.
k3 (мин-1) - является точкой перегиба сигмоиды. То есть означает ЧСС, при которой заканчивается прирост энергетического пульса и начинается его снижение.
Уравнение сигмоиды (2) содержит 4 персонализированных параметра: ЭТП, k1, k2, k3.
ЭТП (ккал/мин), энерготраты в состоянии покоя, рассчитывают по формуле Миффлина с учетом массы тела, роста, возраста и пола.
где
МТ - масса тела, кг
Р - рост, см
В - возраст, количество лет.
Для пациента К. ЭТП=1,25 ккал/мин
Для количественной оценки параметров k1, k2, k3 используют метод наименьших квадратов. Для пациента К. эти параметры имеют следующие значения:
k1=5,57 ккал/мин
k2=0,0816 мин
k3=94,4 мин-1
В результате для пациента К. получают аналитическую зависимость, связь энерготрат и ЧСС, аппроксимирующую фактические данные, полученные в результате измерений.
Полученная формула (4), отражающая связь энерготрат и ЧСС, позволяет определять, какие энерготраты пациента К. соответствуют конкретной ЧСС (фиг. 2).
Запись суточной ЧСС.
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.
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)
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.
Преобразование суточной пульсограммы (ЧСС) в суточный профиль энерготрат
Для преобразования пульсограммы в суточный профиль энерготрат используют уравнение взаимосвязи энерготрат и ЧСС для пациента К. (4).
Суточный профиль энерготрат приведен на фиг. 4.
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
Пример 2.
Определение суточных энерготрат и энерготрат сна и бодрствования.
Пациент С., мужчина 23 года, рост 185, вес 67,7 кг.
Процедура измерения энерготрат в покое та же, что и в примере 1.
Результаты измерения энерготрат пациента С. в покое представлены в табл. 4.
Измерения энерготрат при физической нагрузке.
Физическая нагрузка включала в себя 8 шагов велоэргометра от 25 до 200 Вт длительностью 1 мин на каждый шаг. Результаты представлены в табл. 5
Попарные величины энерготрат и ЧСС, измеренные в состоянии покоя (табл. 4) объединяют с результатами нагрузочного тестирования (табл. 5).
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.
Полученные в результате попарные ряды данных энерготрат и ЧСС используют для расчета параметров зависимости энерготрат и ЧСС.
Расчет параметров зависимости энерготрат от ЧСС.
Расчетная величина энерготрат в покое пациента С. рассчитана по формуле Миффлина (2) составляет:
ЭТП=1,19 ккал/мин
Методом наименьших квадратов рассчитывают параметры сигмовидной зависимости:
k1=6,55 ккал/мин
k2=0,0610 мин.
k3=120,8 мин-1.
Таким образом, для пациента К. получают аналитическую зависимость, связь энерготрат и ЧСС, хорошо аппроксимирующую фактические данные, полученные в результате измерений (фиг. 5).
Полученная формула (5) используется для преобразования суточного мониторинга ЧСС в суточный профиль энерготрат.
Запись суточной ЧСС.
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.
Преобразование ЧСС в энерготраты.
Используя персональную калибровочную зависимость энерготрат от ЧСС (5), пересчитывали величины ЧСС в энерготраты. Результаты пересчета приведены на фиг. 7.
На фиг. 7 указаны максимумы энерготрат отдельных моментов физической активности (ккал/мин).
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.
Способ 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, отличающийся тем, что для получения калибровочной зависимости сбор данных проводят троекратно за период длительностью не более 10 дней, мониторинг частоты сердечных сокращений проводят с 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.
