Способ определения энергозатрат организма человека

Изобретение относится к способу определения энергозатрат организма с использованием пульсометрии и может быть использовано в общей гигиене, медицине, а также при проведении научных исследований.

Оценка энергозатрат организма человека производится для решения задач определения количества расходуемой им энергии при различных видах деятельности, научного обоснования физиологических норм двигательной активности и питания с учетом его индивидуальных особенностей, корректировки его двигательного режима в случае, если показатели физической активности отличаются от оптимальных значений. Оптимизация двигательного режима человека позволит сохранить и восстановить его здоровье, снизить риски возникновения у него заболеваний.

В настоящее время не существует подходов, позволяющих с достаточной точностью проводить оценку энергетических затрат организма человека.

Известны методы расчета энергетических затрат организма человека (ЭТ): метод прямой калориметрии [7], метод непрямой калориметрии [7], метод оценки ЭТ с использованием воды, меченной стабильными изотопами (2Н218O) [1, 7], хронометражно-табличный метод [7, 8, 1], метод акселорометрии [7, 8, 9, 10, 12], метод пульсометрии [11, 13, 2].

Данные методы либо сложны в использовании, либо не обладают достаточной точностью, что ограничивает их использование на популяционном уровне.

Кратко опишем некоторые из выше указанных аналогов.

Наиболее распространенным в лабораторных условиях является хронометражно-табличный метод, основанный на расчетах по формулам Миффлина-Сан Джеора (Mifflin-St. Jeor) или Гарисса-Бенидикта (J.A. Harris; F.G. Benedict) с поправками, учитывающими метаболический эквивалент нагрузки (MET) [6]. Существенным недостатком данного метода является то, что он не учитывает индивидуальные особенности человека, его метаболизм, не решает задачу минимизации погрешностей при определении временных периодов выполнения нагрузки.

С целью повышения точности вышеуказанного метода предложен способ (прототип), в основе которого лежит расчет поправочного коэффициента на основании анализа показателей часов для бега Garmin Forerunner 310 XT (патент РФ №2631562, МПК А61В 5/02, опубл. 25.09.2017 г.). Поправочный коэффициент определяется на основании мониторинга пульса испытуемого во время тренировки [5]. Данный способ повышает точность расчета энергозатрат организма, но в тоже время не решает задачу уменьшения погрешности измерения времени выполнения нагрузки при анализе двигательного режима испытуемого.

Для решения задачи повышения точности измерений разработан заявляемый способ оценки энергозатрат организма человека на основании мониторинга показателей частоты сердечных сокращений (ЧСС). Точность расчетов повышается путем учета индивидуальных особенностей организма человека, анализа физиологических и возрастных особенностей испытуемого, оценки его адаптационного потенциала. Это достигается использованием в расчетах таких показателей как ЧСС покоя (ЧСС_покоя, уд/мин), ЧСС аэробного порога (ЧСС_АП., уд/мин), масса тела (m_р, кг). При оценке энерготрат организма человека используется закономерность: между показателями ЧСС и потреблением кислорода организмом существует линейная связь [2].

Таким образом, техническим результатом заявляемого изобретения является повышения точности определения энергетических затрат (ЭТ) организма человека за счет уменьшения погрешности измерения времени выполнения нагрузки при анализе двигательного режима испытуемого.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения суммарных энергетических затрат (ЭТ) организма человека, согласно изобретения, энергетические затраты на основной обмен, затрачиваемые организмом человека на обеспечение своей жизнедеятельности (ЭТ_{осн.обмен}), энергетические затраты на пищевой термогенез, затрачиваемые организмом человека на переваривание пищи (ЭТ_СДПП) и энергетические затраты на физическую активность (ЭТД) определяют комплексно путем мониторинга показателей частоты сердечных сокращений (ЧСС) за исследуемый период времени (Т), включающих измерение с помощью пульсометра (Heart Rate): ЧСС покоя, определяемая в условиях основного обмена уд/мин (ЧСС_покоя); ЧСС аэробного порога, уд/мин (ЧСС_АП); максимального потребления кислорода (МПК) в минуту, мл/мин/кг, а также измерения массы тела человека, кг (m_р).

Расчет суммарных энергозатрат (ЭТ) за период времени (Т) осуществляется по формуле:

где k_мин - количество ккал, потребляемых в мин, ккал/мин;

m_р - масса тела человека, кг;

Т - период времени, мин.

Количество ккал, потребляемых в минуту задается выражением:

где a, b - поправочные коэффициенты.

Для расчета поправочных коэффициентов а и b используется выражение:

где ЧСС_покоя - ЧСС покоя, определяемая в условиях основного обмена уд/мин;

ЧСС_АП - ЧСС аэробного порога, уд/мин;

МПК - максимальное потребление кислорода организмом в мин, мл/мин/кг.

В структуру суммарных ЭТ входят следующие составляющие:

- ЭТ на основной обмен (энерготраты, затрачиваемые организмом человека на обеспечение своей жизнедеятельности);

- ЭТ на пищевой термогенез (энерготраты, затрачиваемые организмом человека на переваривание пищи);

- ЭТ на физическую активность.

Расчет энергозатрат, затраченных на основной обмен, проводится по формулам (1) и (2) при постоянном значении ЧСС, задаваемым ЧСС_покоя.

Расчет энергозатрат на пищевой термогенез (специфически динамическое действие пищи) выполняется по формуле:

где Т_ПП ^_ время, потраченное на переваривание пищи, мин.

k_оо - количество ккалорий, потребляемых в минуту при основном обмене, рассчитывается по формуле (3) при значении ЧСС_покоя, ккал;

r - процент от энерготрат на специфическое динамическое действие пищи (зависит от рациона питания человека, обычно по умолчанию значение данного показателя составляет 15%).

Для расчета энергозатрат, затрачиваемых на физическую активность (без учета основного обмена и энергозатрат на специфически динамическое действие пищи) используется формула:

где Т_ЭТД - время выполнения вида деятельности, мин; Т_СДДП - время, потраченное на переваривание пищи во время выполнения определенного вида деятельности, в обычных условиях Т_СДДП=Т_ЭТД, если человек питается равномерно в течение дня, мин., а определение суммарных энергозатрат (ЭТ), затрачиваемых организмом человека осуществляют по формуле:

Для измерения массы (веса) тела рекомендуется использовать медицинские весы с чувствительностью до 50 г., взвешивание проводить при минимуме одежды на человеке и без обуви.

ЧСС в состоянии покоя определяется в условиях основного обмена утром натощак, после сна в горизонтальном положении на сонной, височной или лучевой артерии. Измерения проводят в течение 5 минут с расчетом среднего значения за одну минуту.

Для получения показателя «ЧСС аэробного порога» мониторинг ЧСС проводится во время теста «бег с возрастающей интенсивностью», в котором ЧСС регистрируется до момента возникновения субъективного ощущения нехватки воздуха при легком повышении глубины дыхания, с усилиями умеренной интенсивности.

Максимальное потребление кислорода организмом в минуту может быть получено с помощью пульсометра. Если эта функция у пульсометра отсутствует, данная величина может быть определена с помощью теста PWC₁₇₀ [3, 4]. Энергозатраты человека менее 30,3 ккал на 1 кг массы тела в сутки являются низкими, лежащие в диапазоне от 30,3 до 46,3 ккал на 1 кг массы тела в сутки - ниже оптимального; от 46,4 до 58,5 ккал на 1 кг массы тела в сутки - оптимальные; от 58,6 до 78,2 ккал на 1 кг массы тела в сутки - выше оптимальных; более 78,2 ккал на 1 кг массы тела в сутки - высокие. Чем больше отклонение значений фактических энергозатрат человека от оптимального уровня, тем выше риски нарушения его здоровья.

Пример конкретного выполнения заявляемого способа.

Испытуемый И-в - 19 лет.Масса тела - 72 кг. С помощью пульсометра измеряют ЧСС покоя - 60 уд/мин, ЧСС аэробного порога - 155 уд/мин, МПК - 31 мл/мин/кг.

Хронометраж видов деятельности испытуемого за сутки, приведен в табл. 1. Дата исследования - 22.04.2019.

Ниже приведен более подробно расчет энергозатрат испытуемого на одном из его видов деятельности, приведенном в таблице 1, - пробежке в парке (табл. 1). Продолжительность выполнения действия - 5 минут. Мониторинг ЧСС осуществлялся с помощью нагрудного пульсометра, значения ЧСС приведены в табл. 2.

Расчеты выполнялись по формулам (1) - (5). Поправочные коэффициенты а и b равны соответственно 0,2895 и -13,868. Следовательно, выражение (2) может быть записано следующим образом:

ЭТ испытуемого за период выполнения упражнения составили 33,6 ккал с учетом массы тела. Из которых 6,00 ккал потрачены на основной обмен; 0,90 ккал на пищевой термогенез. Следовательно, ЭТ на физическую активность испытуемого составили 26,29 ккал.

Энергетические затраты мужчины за сутки составили 45,76 ккал на 1 кг массы тела, что соответствует значению энергозатрат ниже оптимального.

Повышение достоверности результатов определения ЭТ обеспечивается путем комплексного измерения и вычисления большинства параметров ЭТ с использованием пульсометра.

Источники научно-технической и патентной информации

1. Коростелева, М.М. Изучение энергетических затрат у московских школьников старшего возраста / М.М. Коростелева, И.В. Алешина, М.А. Тоболева, И.Я. Конь // Вопросы детской диетологии. - 2012. - Т. 10. - №6. - С. 9-12.

2. Немцев, О.Б. Стабильность показателя максимального потребления кислорода, определяемого при помощи монитора сердечного ритма Polar / О.Б. Немцев, В.И. Сидоров, Б.М. Гогодзе, И.С.Козлов, Н.А. Немцева // Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта. - 2017. - №5(148). - С. 151-154.

3. Руководство по спортивной медицине / под ред. В.А. Маргазина. - СПб.: СпецЛит, 2012. - 487 с.

4. Медведев И. Тесты с дозируемой физической нагрузкой в спортивной медицине / И. Медведев, Е. Ачкасов, А. Ландырь - Litres, 2018. - 217 с.

5. Патент РФ №2631562, МПК А61В 5/02, опубл. 25.09.2017 г. (прототип).

6. Пивоваров, Ю.П. Руководство к лабораторным занятиям по гигиене / Ю.П. Пивоваров, О.Э. Гоева, А.А. Величко. - М.: Медицина, 1983. - 256 с.

7. Соколов А.И. Современные методы измерения суточных энерготрат, используемые при оценке пищевого статуса / А.И. Соколов, С.Х. Сото, И.Б. Тарасова // Вопросы питания. - 2011. - Т. 80. - №. 3. - С. 62-66.

8. Сухарев, А.Г. Хронометражно-табличный метод определения суточного расхода энергии детей и подростков / А.Г. Сухарев, Ю.А. Лукашова // Вестник Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. - 2009. - №2(31). - С. 38-43.

9. Accelerometer-based physical activity: total volume per day and standardized measures / D.R. Bassett, R.P. Troiano, J.J. McClain, D.L. Wolff-Hughes // Medicine and science in sports and exercise. - 2015. - Vol.47 (4). - P. 833-838. DOI: 10.1249/MSS.0000000000000468.

10. Accelerometer-measured versus self-reported physical activity in college students: Implications for research and practice / A. Downs, H.J. Van, A. Lafrenz, D.L. Julka // Journal of American College Health. - 2014. - Vol.62 (3). - P. 204-212. DOI: 10.1080/07448481.2013.877018.

11. Heart rate variability is associated with amygdala functional connectivity with MPFC across younger and older adults / M. Sakaki et al. // Neuroimage. - 2016. - Vol.139. - P. 44-52. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2016.05.076.

12. Towards unsupervised physical activity recognition using smartphone accelerometers / Y. Lu et al. //Multimedia Tools and Applications. - 2017. - Vol.76 (8). - P. 10701-10719. DOI: 10.1007/s11042-015-3188-v.

13. Validity of the Polar V800 heart rate monitor to measure RR intervals at rest / D. Giles, N. Draper, W. Neil // European journal of applied physiology. - 2016. - Vol.116(3). - P. 563-571. DOI: 10.1007/s00421-015-3303-9.