«Если расскажешь, то я забуду. Если объяснишь, то возможно я вспомню. Вовлеки меня, только тогда я научусь».
Именно такому правилу из сборника конфуцианских философских сочинений Сюнь-Цзы, написанного Сюнь Куаном [1], следует производитель NIRS систем компания Artinis. За последние два месяца сотрудники научного центра Scatt и производителя fNIRS систем объединили свои усилия в исследовании физических нагрузок. Это исследование направлено на объединение нескольких методов измерений: ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS), электрокардиографии (ЭКГ), электромиографии (ЭМГ) и метода определения частоты сердечных сокращений. Scatt, аббревиатура от Sports Center, Advise, Testing and Training, предложил провести практические исследования в спортивно-научной среде.
Исследование, которое недавно провели коллеги из Artinis, состоит из анализа двух сборов данных по одному испытуемому. Первый набор данных получают от здорового испытуемого, бегущего с интенсивностью 60% в течение 30 минут. Второй набор данных получен во время многоступенчатого фитнес-теста. Оба теста выполняются на беговой дорожке с двумя устройствами PortaMon, расположенными на верхней и нижней трети четырехглавой мышцы бедра (vastus lateralis) на обеих ногах. Такое расположение NIRS устройств было выбрано из-за высокой нагрузки на мышцы во время фазы контакта с землей поверхности стопы.
Рис 1: Два устройства PortaMon, расположенные на верхней и нижней трети мышцы бедра на обеих ногах.
После подключения NIRS устройств, пять дисковых электродов ЭКГ были прикреплены к груди, а четыре электрода EMG – вокруг одного NIRS устройства закрепленного на верхней трети мышцы бедра левой ноги. Сигналы ЭКГ и ЭМГ были получены с помощью усилителя TMSi-Refa, а затем выровнены и обработаны в проприетарном программном обеспечении OxySoft. Чтобы обработать данные для каждого испытуемого для теста 60-процентной интенсивности физической нагрузки, мы оценили зону сердечного ритма на основе формулы Карвонена [2]. Далее с помощью устройств кардиомониторинга Polar Vantage V и Polar H10 мы сохраняли частоту сердечных сокращений в заданных пределах. Ввиду этого скорость бега для этого теста была индивидуальной для каждого испытуемого и строго зависела от частоты сердечных сокращений.
Выполнение физических упражнений и интеграция систем NIRS, ECG, and EMG в тренажерном зале. Видеосылка: https://www.youtube.com/watch?v=SMMVCBiHUJ0
Движения сгибания и разгибания на каждом этапе влияют уровень окси- и дезоксигемоглобина, показывая ритмический выходной сигнал, совпадающий с ритмом движения испытуемого (рисунок 3). На рисунке показаны необработанные данные (расширенного) многоступенчатого фитнес-теста, начинающегося со скорости 8,5 км/ч.
Рисунок 2: Измерения оксигемоглобина (красная линия), дезоксигемоглобина (синяя), общего гемоглобина (зеленая) и разницы гемоглобина (черная) в течение времени. На правой стороне приведен расширенный участок, показывающий ритмичную частоту приблизительно 147 шагов в минуту. Этот эксперимент начинается с отдыха в течение 5 минут, далее следует 5-минутный разогрев (зона, отмеченная как W-warmup), а затем старт (S-start) многоступенчатого фитнесс теста при скорости бега 8,5 км/ч. Скорость увеличивается на 0,5 км / ч в зоне I-increase с последующей 5-минутной передышкой в зоне C-cooling down и 5 минутами отдыха в зоне R-rest.
В этом проекте принимали участие, как старшие, так и молодые сотрудники Arntinis, в качестве испытуемых. Анализируя данные, собранные с помощью PortaMon, мы увидели постепенное уменьшение амплитуды трека, что подчеркивает важность этого эксперимента. Следует отметить, что данные испытуемого, показанные на рисунке 3, получены во время расширенного многоступенчатого теста. В конце этого теста испытуемый держал скорость наравне с двухчасовым гоночным темпом Eliud Kipchoge [3]. Поскольку здесь представлены необработанные данные, то можно увидеть увеличение шумовых артефактов и амплитуды сигнала в конце забега, это подтверждает положение датчиков было выбрано верным.
Интеграция нескольких методов интересна не только с точки зрения объема данных, но также и для последующей обработки и анализа. Эти тесты могут быть востребованы нашими коллегам, работающими в области неврологии, биомедицинской инженерии и разработки программного обеспечения. Результаты были получены, в том числе и с привлечением исследователей на ранних стадиях (ESR специалисты), и аспирантов, выполняющих свои квалификационные работы PhD в лабораториях Artinis. Например, специалист Naser Hakimi, имеющий опыт интеграции измерений NIRS / ECG [4], объяснил оптимальную конфигурацию и настройки для электрокардиографии. Работы велись под непосредственным руководством доктора Dr. Willy Colier.
Оригинал статьи размещен здесь.
Литература:
[3] https://www.theguardian.com/sport/2019/oct/12/eliud-kipchoge-makes-history-sub-two-hour-marathon
