favicon3

Исследования физических нагрузок с помощью интегрированных систем NIRS, ЭКГ и ЭМГ

PORTAMON

«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:

[1] Shun, K. (1989). Xunzi: A Translation and Study of the Complete Works, Volume 1, Books 1–6. By John Knoblock. Stanford: Stanford University Press, 1988. xvi, 340 pp. $55.00. The Journal of Asian Studies, 48(2), 364-365. doi:10.2307/2057404

[2] Karvonen, J. & Vuorimaa, T. Sports Medicine (1988) 5: 303. https://doi.org/10.2165/00007256-198805050-00002

[3] https://www.theguardian.com/sport/2019/oct/12/eliud-kipchoge-makes-history-sub-two-hour-marathon

[4] Hakimi, Naser & Setarehdan, Seyed. (2018). Stress assessment by means of heart rate derived from functional near-infrared spectroscopy. Journal of biomedical optics. 23. 1-12. 10.1117/1.JBO.23.11.115001.

Поделитесь ссылкой эту страницу

Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в vk
VK
Поделиться в telegram
Telegram
Поделиться в whatsapp
WhatsApp
Поделиться в odnoklassniki
OK
Поделиться в email
Email
favicon3
Похожие статьи

Последние публикации по общим вопросам ближней инфракрасной спектроскопии и ее возможностям

Дорогие коллеги, для вашего удобства мы систематизировали последние выпущенные статьи, посвященные ближней инфракрасной спектроскопии (БИК-спектроскопия) и ее использованию fNIRS-система ми Artinis. Все статьи были разбиты

Читать полностью »

Запрограммирован ли наш мозг на тоску?

Резюме: нейровизуализационное исследование раскрывает нейронную основу для мотивации воссоединения с тем человеком, которого вы любите. Полученные результаты помогают объяснить, почему социальное дистанцирование столь тяжело переносится.

Читать полностью »

Демонстрационные fNIRS системы в Казани

В рамках сотрудничества с Artinis (мировым производителем систем нейровизуализации), наша компания приобрела демонстрационную fNIRS систему Brite24.Brite24 является портативным вариантом более мощной 112-канальной fNIRS (ближняя ИК спектроскопия)

Читать полностью »
Обратная связь
Мы свяжемся с вами в течение 15 минут