Оптимизация движений в условиях применения автоматизированного управления по ответной реакции сердечно-сосудистой системы

Один из путей повышения эффективности тренировочного процесса — непрерывное автоматическое управление им на основе отрицательной обратной связи по физиологическим показателям. Наиболее информативным показателем величины нагрузки в циклических видах спорта является ЧСС (В.М. Зациорский, В. Д. Чепик, В. Л. Уткин, 1963; С. Д. Неверкович, 1971 и др.). В последнее десятилетие созданы новые поколения стационарных и телеметрических кардиолидеров (спорттестеров), позволяющих обрабатывать данные на ПК, но величину нагрузки занимающийся (спортсмен) до сих пор изменяет самостоятельно.

В настоящее время все большую популярность приобретают миниатюрные вычислительные устройства, обладающие большими функциональными возможностями. Разработаны и внедряются универсальные микроконтроллеры, интегрирующие в себе вычислительные, измерительные и коммуникационные блоки. На основе микроконтроллеров можно разрабатывать автономные системы сбора, обработки информации и управления по довольно сложным алгоритмам, реализация которых традиционными средствами потребовала бы мощной технической поддержки. Разработка и использование подобных систем в спортивной тренировке и оздоровительной физической культуре представляются весьма перспективными, так как переводят процесс самосовершенствования на качественно новый уровень.

Данное обстоятельство послужило основанием для разработки нами устройства, представляющего собой носимый миникомпьютер на базе микроконтроллера ATMEL AT90S8535, относящийся к классу «Машин автоматизированного управления» (Ю.Т. Черкесов, В. Г. Свечкарев, 2001).

К машине автоматизированного управления для циклических упражнений (МАУЦУ) подключается разработанный нами оптоэлектронный датчик ЧСС.

МАУЦУ постоянно задает тренирующемуся частоту двигательных циклов (темп движения) с помощью звукового (или светового) сигнала. Задав занимающемуся оптимальный уровень нагрузки, аппарат начинает программно корректировать ее интенсивность. Причем, чем больше реальная ЧСС (занимающегося) отличается от ЧСС заданной, тем сильнее изменяется темп движения по разработанному нами алгоритму, за счет чего циклические движения получаются более равномерными — без резких изменений в скорости.

Выполнение циклических упражнений в условиях разработанной нами МАУЦУ, реализующей метод автоматизированного управления физической нагрузкой на основе программирования ЧСС, более эффективно, чем с использованием кардиолидера. Это подтверждается сокращением времени выхода на заданную ЧСС (250,3±7,91 с против 289,2±9,69) с при использовании кардиолидера, различия достоверно значимы; уменьшением величины максимального рассогласования реальной ЧСС с заданным уровнем в зоне устойчивого состояния для выбранного нами контингента студентов (4,3 ± 0,19 с при использовании МАУЦУ, при работе с кардиолидером эта величина составила 5,2 ± 0,21 с (рис. 1) различия достоверно значимы).

тренировочный микроконтроллер медицинский.

Рис. 1. График частоты вращения педалей велоэргометра с использованием МАУЦУ и в традиционных условиях (с показаниями ЧСС за прошедшую минуту)

Нами исследованы биомеханические показатели вращения педалей велоэргометра с использованием МАУЦУ и в традиционных условиях. Результаты эксперимента показали большую величину колебаний (разброса) частоты вращения педалей в первой половине занятия в условиях использования МАУЦУ по сравнению с традиционными условиями и достаточно устойчивую ее величину второй половине в обоих случаях. Однако с применением МАУЦУ ЧСС студентов находится в заданной зоне, в традиционных же условиях она может отклоняться от рекомендуемой преподавателем в большом диапазоне. Так, в нашем эксперименте ЧСС в первой трети занятия ниже, а затем начинает возрастать, достигая к концу занятия более высоких значений, чем планировалось.

Студенты исследуемого нами контингента, с выявленным низким адаптационным потенциалом, в стадии напряжения механизмов адаптации (которое классифицируется нами как «третье состояние организма» — состояние предболезни), в подавляющем большинстве случаев в традиционных условиях работы на велотренажере не могут контролировать заданный уровень физиологической нагрузки. Обычно он ниже в начале занятия и выше в остальное время (иногда наблюдается обратная картина). В условиях тренировки с МАУЦУ сохраняется оптимальная нагрузка, способствующая повышению адаптационных возможностей организма.

При использовании МАУЦУ длина пройденной дистанции на каждом занятии индивидуальна, зависит от физиологического состояния организма и характеризует адаптацию организма к физической нагрузке на момент занятия (рис. 2).

Рис. 2. График пройденного расстояния с применением МАУЦУ для циклических упражнений

Студенты, участвующие в эксперименте, прошли тестирование и медико-биологическое обследование, результаты которых приведены в табл. 1 — 4.

Таблица 1 Показатели медико-биологического исследования студентов перед началом и после проведения педагогического эксперимента.

Так, представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что результаты теста Купера в контрольной и экспериментальной группах до эксперимента существенно не различаются и соответствуют оценке «удовлетворительно». В экспериментальной группе статистически значимый прирост показателей свидетельствует об улучшении физической работоспособности студентов (по таблице Купера соответствует оценке «хорошо»).

Результаты пробы Штанге в обеих группах до эксперимента хорошие и существенно не различаются. В экспериментальной группе произошло достоверное улучшение общего состояния кислородообеспечивающих систем, результат которого оценивается нами по специальной таблице на «отлично».

Удовлетворительной адаптации соответствует индекс функциональных изменений (ИФИ) в контрольной и экспериментальной группах до эксперимента (достоверность различий незначима). После завершения педагогического эксперимента в контрольной группе этот показатель претерпел несущественное ухудшение, а в экспериментальной статистически значимое его улучшение соответствует оценке «хорошо» и свидетельствует о повышении адаптационного потенциала организма занимающихся.

После завершения педагогического эксперимента только в экспериментальной группе произошло статистически достоверное улучшение состояния реактивных свойств сердечно-сосудистой системы, о чем свидетельствует хороший показатель индекса Руфье. До эксперимента этот показатель в обеих группах не имел существенного различия и расценивался как удовлетворительный.

Таблица 2 Показатели распределения величины омега-потенциала у студентов перед началом и после проведения педагогического эксперимента.

Таблица 3Показатели вариационной пульсометрии перед началом и после проведения педагогического эксперимента.

Таблица 4Результаты тестирования студентов перед началом и после проведения педагогического эксперимента.

Разработанная нами здоровьесберегающая технология способствовала улучшению механизмов адаптации у большинства студентов экспериментальной группы, что в первую очередь сказалось на улучшении состояния симпатического и парасимпатического отделов нервной системы (результаты вариационной пульсометрии — параметры АМо и dX), интегрального показателя уровня метаболических процессов в организме, уровня психофизиологической активности (результаты омега-потенциалометрии) и сердечно-сосудистой системы (тест Купера, проба Штанге, индекс Руфье).

Таким образом, суммарные показатели медико-биологического исследования показали (по большинству параметров) некоторое ухудшение механизмов адаптации у большинства студентов контрольной группы.

По нашему предположению, это может быть связано с несоответствием некоторых нагрузок на занятиях по физическому воспитанию уровню физической подготовленности занимающихся.