Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии  

На правах рукописи

Зубарева Екатерина Александровна

КОМПЛЕКСНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ У ЛОШАДЕЙ В УСЛОВИЯХ

ТРЕНИНГА И ИСПЫТАНИЙ

03.03.01 - физиология

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата биологических наук

Казань 2012

Работа выполнена на кафедре анатомии, гистологии, физиологии и патологической анатомии ФГБОУ ВПО Омский государственный аграрный университет имени П.А.Столыпина

Научный руководитель:        Пьянов Владимир Дмитриевич

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Зеленов Юрий Никандрович

- доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии ФГБОУ ВПО "Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени

Н.Э. Баумана"

Ситдиков Фарит Габдулхакович

Цдоктор биологических наук, профессор кафедры анатомии, физиологии и охраны здоровья человека Казанского (Приволжского) федерального университета

Ведущая организация:  ФГБОУ ВПО Тюменская государственная сельскохозяйственная академия

Защита состоится л___ ________ 2012 г. в ____ часов ___ минут на заседании диссертационного совета Д-220.034.02 при ФГБОУ ВПО "Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени Н.Э. Баумана"

по адресу: 420074, Казань, Сибирский тракт, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанской государственной академии ветеринарной медицины имени Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан л____        __________ 2012 г.

и размещён на сайтах и //www.ksavm.senet.ru/

Учёный секретарь

диссертационного совета,

д.б.н., проф.                                                                                                                                                                Р.Я. Гильмутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях высоких тренировочных и соревновательных нагрузок велика вероятность травматизма и заболеваний спортивных лошадей, что приводит не только к уменьшению шансов на победу на соревнованиях, но и к выбраковке породистых животных, на выращивание и подготовку которых затрачен труд большого числа людей.

В мировой практике тренинга лошадей актуальной является проблема правильного дозирования физической нагрузки и в связи с этим имеется необходимость в доступных, объективных и простых методиках и оборудовании для комплексной оценки функционального состояния лошадей в производственных условиях тренинга и испытаний.

Утомление является одной из важнейших проблем в любой области, так как оно является причиной многих заболеваний и дисфункций систем организма. Научные эксперименты по исследованию утомления животных (а именно у лошадей) проводятся с использованием высокоскоростной беговой дорожки при одновременной регистрации респираторных, кардиоваскулярных и метаболических ответов в процессе физической нагрузки и проведением биопсии мышцы (наиболее активной при определенной нагрузке) до и после этой нагрузки (R.J. Georg et al. 1999; D.R. Hoddson et al., 1994; C.M. Tyler et al., 1998; K. Schuback, 1999; K.W. Hinchcliff, R.J. Georg, A.J. Kaneps, 2008).

Но изучение физиологических процессов в лабораторных условиях ограничивает получение практически значимых результатов, так как отсутствует влияние на организм животного внешних факторов естественной обстановки, ощущение перемещения в пространстве и невозможность регистрировать физиологические сигналы при сложных движениях, например, при прыжке (Г.Г. Карлсен и др, 1973; А.А. Ласков, 1997).

Для получения наиболее достоверных данных о функциональном состоянии животного необходимо регистрировать комплекс физиологических показателей во время тренинга и испытаний с использованием неинвазивных, дешевых и простых в обращении методик и оборудования доступных каждому тренеру, спортсмену-коннику и ветеринарному врачу. Комплекс физиологических показателей функционального состояния лошади необходим для правильной организации тренировочных циклов и рационального распределения тренировочных нагрузок. Что повысит эффективность тренинга и поможет реализовать весь потенциал лошади.

Нами разработаны новые методики и оборудование для определения показателей функционального состояния органов тех систем организма лошади, которые чаще страдают (травмируются, перенапрягаются) во время физических нагрузок - это скелетные мышцы, суставы, сердце и лёгкие.

Исследование сердечной и дыхательной деятельности, а также применение метода гониометрии достаточно полно описано в литературе, но недостаточно данных о влиянии физической нагрузки на опорно-двигательный аппарат в естественных условиях тренинга, в частности на нервно-мышечный аппарат с использованием метода электромиографии (ЭМГ). Также отсутствуют данные о контроле состояния суставов по суставным звукам в условиях тренинга, определяемых с помощью метода артрофонографии (АФГ). Поэтому вопросам регистрации и анализа ЭМГ и АФГ уделено основное внимание в диссертационной работе.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой анатомии, гистологии, физиологии и патологической анатомии (№ Гос. регистрации 01.2001.03074).

Цель исследования: провести комплексное, оперативное и объективное определение некоторых физиологических параметров функционального состояния лошадей в полевых условиях тренинга и испытаний.

Задачи исследования:

  1. Выделить комплекс наиболее информативных физиологических параметров для оценки функционального состояния тренируемых лошадей;
  2. Для регистрации и анализа комплекса физиологических параметров разработать простые, информативные и оперативные (по времени) методики и доступное по стоимости оборудование (техническое задание на разработку и изготовление оборудования), применимые в полевых условиях тренинга и испытаний лошадей;
  3. Найти комплекс наиболее информативных показателей, характеризующих влияние физической нагрузки на функциональное состояние организма лошадей в процессе тренинга;
  4. Охарактеризовать степень активации двигательных единиц по ЭМГ статической и динамической работы мышцы до и после физической нагрузки (при утомлении);
  5. Дать физиологическое обоснование результатам анализа биоэлектрической активности мышц и суставных звуков до и после физической нагрузки.
  6. Создать предпосылки для разработки автоматической системы диагностики функционального состояния тренируемых лошадей.

Научная новизна работы. Впервые нами проводилась регистрация ЭМГ у лошадей через волосяной покров животного с помощью специально разработанных электродов (патент РФ на полезную модель № 81060 Электроды для поверхностной электромиографии) и креплений для них. Регистрация ЭМГ осуществлялась непосредственно во время движения животного в полевых условиях (не лабораторных условиях) до, в процессе и после физической нагрузки. Разработана методика анализа ЭМГ-сигнала путем подсчёта частоты потенциалов действия двигательных единиц (ПДДЕ) по заданным уровням амплитуд для характеристики ПДДЕ мышечного сокращения при различном функциональном состоянии мышцы.

Впервые применена одновременная регистрация суставных звуков и объёмов движения сустава у лошадей для оценки функционального состояния суставов в производственных условиях (патент РФ на полезную модель № 109649 РФ Устройство для исследования сустава конечности), что позволило дифференцировать и идентифицировать суставные звуки в зависимости от угла сгибания и разгибания сустава и от фаз полного цикла шага.

Даны расшифровки ЭМГ локтевого разгибателя запястья и АФГ запястного сустава с точки зрения их анатомического строения, функционирования и функционального состояния (до и после физической нагрузки).

Разработана методика регистрации фонокардиографии (ФКГ) в шумной обстановке производственных условий. Показана необходимость одновременной регистрации ЭМГ, АФГ и кардио-респираторных показателей.

Теоретическая и практическая ценность работы. Данные, полученные в ходе экспериментов по определению функционального состояния опорно-двигательного аппарата у лошадей с помощью ЭМГ и АФГ, углубляют теоретические знания по данным вопросам.

Разработанные простые и надёжные методики регистрации и анализа комплекса физиологических показателей для оценки функционального состояния лошадей позволят использовать их для диагностики заболеваний, определения степени утомления и восстановления при тренинге. В частности, разработанные электроды для регистрации поверхностной ЭМГ через волосяной покров животного и методика ФКГ позволят проводить оценку процессов восстановления и утомления при циклической нагрузке с перерывами.

Комплексная оценка функционального состояния и синхронности работы скелетных мышц, лёгких, сердца и суставов послужат основой для обоснования, с точки зрения физиологии, эффективных методик тренировки лошадей. Что поможет тренеру быстро обучить лошадь экономичным движениям, оценить реакцию организма на возрастание физической нагрузки, определить степень утомления, восстановления и тренированности.

Материалы диссертации рекомендуются для использования в учебном процессе при чтении лекций и на практических занятиях по физиологии и клинической диагностике. Результаты разработок могут найти своё применение в практической ветеринарной диагностике.

Реализация результатов исследований. Основные материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах физиологии ОмГАУ им. П.А. Столыпина (Омск), УГАВМ (Троицк), ДальГАУ (Благовещенск), АГАУ (Барнаул), Тюменская ГСХА (Тюмень), КГАВМ им. Н.Э. Баумана (Казань),

ФГ заводская конюшня Омская с ипподромом (Омск), КУ ОО Детско-юношеский конно-спортивный центр (п. Омский).

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на ежегодных научно-практических конференциях ИВМ ОмГАУ им. П.А. Столыпина в период с 2008 - 2011 гг.; VI Сибирском физиологическом съезде СНГ (Барнаул, 2008 г.); XIV научной конференции, посвященной 90-летнему юбилею ФГОУ ВПО Омский государственный аграрный университет: Научные инновации - аграрному производству (Омск, 2008 г.); III Всероссийской научно-технической конференции Россия молодая: передовые технологии - в промышленность! (Омск, 2010, 2011 гг.); Международной научно-практической конференции Современные проблемы, перспективы и инновационные тенденции развития аграрной науки, посвящённой 85-летию со дня рождения члена-корреспондента РАСХН, д.в.н., профессора М. М. Джамбулатова, ДГСХА (Махачкала, 2010 г.) и V Международной научно-практической конференции молодых исследователей Наука и молодёжь: новые идеи и решения, ВГСХА (Волгоград, 2011 г.).

Методические разработки проведены при поддержке гранта программы международного обмена студентов, аспирантов и преподавателей - Erasmus Mundus (IAMONET-RU) в университете Хоенхайм (University of Hohenheim) в городе Штутгарт (Германия) и в венском университете ветеринарной медицины (Австрия) в научно-исследовательской группе по изучению движений животных (Movement Science Group) с 01.04.2009 по 31.03.2010.

Результаты научно-исследовательской работы (её экономическая и коммерческая ценность) были апробированы на конкурсе У.М.Н.И.К. - работа вышла в финал.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе три статьи в журналах из перечня ВАК РФ и два патента на полезные модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Разработанные нами датчики, приёмы и методы поверхностной электромиографии, фонокардиографии, пневмографии, артрофонографии и электрогониометрии обеспечивают комплексное оперативное определение физиологического состояния органов и систем организма лошади.
  2. После физической нагрузки при шаге (динамической работе) в наибольшей степени частота импульсов электромиограммы увеличивается на уровне 50% от изоэлектрической линии; при поддержании позы (статической работе) частота импульсов уменьшается на уровне 12,5% от изоэлектрической линии. Увеличивается синхронная работа моторных (двигательных) единиц мышцы.
  3. Совместное применение артрофонографии и электрогониометрии гарантирует объективную оценку функционального состояния суставов у лошадей.
  4. Частота звуков запястных суставов зависит от анатомического строения сустава, его работы и функционального состояния.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов собственных исследований, результатов исследований, обсуждения результатов и заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Список литературы включает 206 источников, в том числе 114 иностранных. Диссертация содержит 8 таблиц, 49 рисунков.

  1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперименты по исследованию нервно-мышечного аппарата и суставов лошадей до и сразу же (через 1-3 мин) после физической нагрузки (тренинга высокой интенсивности), а также исследование сердечной и дыхательной систем в покое и при движении, проводились на базе конноспортивного клуба УCor-De-StarФ (ныне КУ Омский областной детско-юношеский конно-спортивный центр), расположенного в посёлке Омском. Данный клуб специализируется на конкуре и прокате лошадей.

Объектами исследования являлись 15 клинически здоровых конкурных лошадей полукровной породы, мерины 5-6 летнего возраста, массой 450-500 кг, высотой в холке 1555 см, тренируемые и участвующие на соревнованиях. Содержание животных денниковое, на глинобитных полах с опилочной подстилкой. Кормление и поение лошадей 4 раза в день. В среднем на одно животное в сутки приходится 8 кг сена кострецового и 6 кг плющеного овса. Поение лошадей осуществляется водопроводной водой из вёдер. В каждом деннике имеется соль-лизунец.

Продолжительность тренинга составляет 1,5-2 часа в день. Тренинг лошадей проводится по следующей схеме: средняя нагрузка - понедельник, среда, пятница; высокая нагрузка - вторник, четверг; нет нагрузки или лёгкая нагрузка - суббота, воскресенье.

Исследования проводились в дни с высокой физической нагрузкой, когда тренинг осуществлялся по следующей схеме: шаг - 5 мин, рысь - 10 мин, галоп - 10 мин, преодоление препятствий - 20 мин, галоп - 5 мин, рысь - 5 мин, преодоление препятствий - 15 мин, рысь - 10 мин, шаг - 15 мин. Итого продолжительность тренинга составляла 1 ч 35 мин.

Температура окружающей среды при проведении опытов находилась в пределах 8-100, влажность - 65-70%, атмосферное давление - 743-745 мм.рт.ст.

Общая схема методик и оборудования для комплексной оценки функционального состояния лошадей, применяемых в настоящей научно-исследовательской работе, представлена на рис. 1.

Нами был разработан и собран на базе современного компьютерного оборудования, простой прибор для регистрации и анализа физиологических сигналов. Данный прибор состоит из ноутбука, например, миниатюрного ноутбука LifeBook Fujitsu, интерфейсного блока, 2-х канального усилителя биоэлектрических сигналов скелетных мышц (УБК-75; коэффициент усиления - 10000 раз) и специально разработанного комплекта датчиков.

Определение функционального состояния нервно-мышечного аппарата у лошадей проводилось с помощью наиболее объективного и информативного метода - поверхностной ЭМГ. Для решения проблемы применения данного метода в производственных условиях, нами были разработаны специальные электроды (патент РФ на полезную модель № 81060 Электроды для поверхностной электромиографии) и крепления для них. Использовались поверхностные электроды из нержавеющего сплава металла (стали, бронзы или латуни) следующих размеров: электроды шириной 10 мм и длинной 20 мм с межэлектродным расстоянием между центрами электродов 20 мм; электроды шириной 60 мм и длинной 15 мм, с регулируемым межэлектродным расстоянием от 18 до 37 мм; электроды шириной 1 мм и длинной 35 мм, с регулируемым межэлектродным расстоянием между центрами электродов от 10 до 40 мм (использовались межэлектродные расстояния 18 и 25 мм).

Рис. 1. Оборудование и методики для комплексной оценки

функционального состояния лошадей в полевых условиях тренинга

Разработанные нами электроды для регистрации поверхностной ЭМГ через волосяной покров животного (то есть без выбривания волосяного покрова в местах наложения электродов) и креплений для них, позволили быстро и легко регистрировать ЭМГ у лошадей в производственных условиях (в конюшне, на тренировочной площадке, в манеже). Места, куда накладывались электроды, обрабатывались 70% этиловым спиртом для снижения сопротивления кожи.

Электроды устанавливались на 2-3 см дистальнее от середины мышечного брюшка вдоль хода мышечных волокон на следующие мышцы: локтевой разгибатель запястья (m. extensor carpi ulnaris), длинный разгибатель пальцев (m. extensor digitorum longus) и среднюю ягодичную мышцу (m. gluteus medius).

Регистрация ЭМГ проводилась при статике (поддержании позы) и динамике (шаге) до и после физической нагрузки, а так же на рыси и галопе до нагрузки.

Экспериментальные данные в цифровом виде получены с помощью программного обеспечения Sony Sound Forge. Частота сэмплирования сигнала составляла 144 кГц.

Анализ ЭМГ 1-го и 2-го каналов при динамической и статической работе проводился по частоте, форме и длительности потенциалов. Так же ЭМГ оценивалась по следующим специальным параметрам: частота ПДДЕ (Гц) по уровням амплитуд 12,5; 25,0; 50,0 и 75,0 и более % от максимальной амплитуды ЭМГ шага, взятой за 100 %; корреляция ПДДЕ 1-го и 2-го каналов. Расчёт корреляции проводился с помощью программы MATLAB по фрагменту ЭМГ длительностью 100 мс в начале, середине и в конце сокращения, а также за полное сокращение мышцы (длительностью 350-550 мс). При статике (поддержание позы) - за 300 мс.

Оценка функционального состояния дыхательной системы проводилась с помощью метода пневмографии (ПГ) с применением датчика дыхания, принцип работы которого основан на изменении электрического сопротивления согласно дыхательным движениям грудобрюшной области.

Оценивалась синхронность ритмов дыхания и движения при одновременной регистрации дыхательных движений и движений передней конечности на различных видах аллюра.

Для анализа биомеханики движения нами был подобран и адаптирован для использования на лошади прибор - электрогониометр, позволяющий быстро и просто регистрировать изменения угла сустава при различных движениях животного. Работа электрогониометра основана также на изменении электрического сопротивления при увеличении угла при разгибании сустава и уменьшением - при сгибании. Металлические гибкие пластины, идущие от датчика, фиксировались эластичными широкими лентами сверху и снизу от запястного сустава. Регистрируемое графическое отображение сигнала - электрогониограмма (ЭГГ). Методом ЭГГ определялись фазы полного цикла шага передней конечности. Регистрация показателей сгибания и разгибания сустава проводилась одновременно с регистрацией дыхания - для определения показателей синхронности ритмов дыхания и движения, и одновременно с регистрацией суставных звуков.

Для определения функционального состояния суставов (а именно запястных) у лошадей мы разработали устройство (патент РФ на полезную модель № 109649 РФ Устройство для исследования сустава конечности) для одновременной регистрации и обработки сигналов с артрофонографа (прибора для регистрации суставных звуков высокочувствительным акустическим датчиком) и электрогониометра. Данное устройство позволяет идентифицировать и дифференцировать суставные звуки согласно взаиморасположению анатомических структур сустава и околосуставной области при определённой фазе цикла шага (сгибания, перехода сгибания в разгибание, разгибания и опоры).

Съём АФГ и ЭГГ осуществлялся до физической нагрузки и через 3 мин после неё. Животное проводилось свободным равномерным шагом по ровной поверхности деревянного пола конюшни в течение 10-15 с в одном направлении. Регистрация суставных звуков проводилась на четырёх поверхностях левого и правого запястных суставов, а и именно: дорсально, пальмарно, латерально и медиально.

При анализе полученных данных в первую очередь по ЭГГ определялся полный цикл шага левой или правой конечности, данный цикл делился на фазы. Выделенные отрезки фаз шага по ЭГГ сопоставлялись с сигналами АФГ, на которых подсчитывалось количество колебаний звуковых волн и вычислялась частота.

Определение функционального состояния сердца осуществлялось при помощи регистрации и анализа фонокардиограммы (ФКГ). Для ФКГ использовался акустический микрофон, вмонтированный в металлическую головку стетофонендоскопа. Регистрация ФКГ проводилась в области верхушки сердца с левой стороны в пятом межреберье выше на 1-2 см от боковой грудной вены. ФКГ регистрировалась утром до тренинга у спокойно стоящей лошади.

Статистику полученных экспериментальных данных по показателям функционального состояния нервно-мышечной системы и суставов у лошадей, проводили по следующим параметрам: М - средняя арифметическая; m - средняя ошибка; р - достоверность различий, определяемую по t - критерию Стьюдента. Различия считались достоверными при р<0,05; р<0,01; р<0,001.

Обработка данных проводилась с использованием программы Microsoft Office Excel и MATLAB на персональном компьютере (ноутбуке) ACER Travel Mate 6292.

  1. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
    1. Определение функционального состояния нервно-мышечного аппарата лошадей в условиях тренинга и испытаний

Для определения функционального состояния нервно-мышечного аппарата у тренируемых лошадей нами были проведены предварительные исследования по выбору мышц и электродов, наиболее подходящих для решения поставленных задач. В результате была выбрана мышца локтевого разгибателя запястья Ц

m. extensor carpi ulnaris, которая исследовалась при шаге до и после физических нагрузок, а также на рыси и галопе. Наиболее подходящими электродами явились электроды шириной 1 мм и длинной 35 мм с межэлектродным расстоянием между центрами электродов равным 18 мм.

Методика подсчёта количественных характеристик ЭМГ

Поверхностная ЭМГ представляет собой сумму импульсов различных двигательных единиц (ДЕ) широкого диапазона амплитуд, в связи с этим возникает необходимость дифференцировать импульсы определённых (заданных) амплитуд для более чёткого представления о закономерностях активации потенциалов действия двигательных (моторных) единиц (ПДДЕ) мышцы при различном её функциональном состоянии. Методика анализа количественных характеристик ЭМГ заключается в подсчёте частоты активных ПДДЕ на заданных уровнях амплитуд, которые задавались в процентах от максимальной амплитуды принятой за 100% (для нормирования ЭМГ по амплитуде для каждой лошади при тестовом движении - шаге).

Амплитуда 100% соответствовала 100-120 мкВ. Уровни задавались следующим образом (рис. 2): уровень 1 равен 12,5% - низкопороговые ПДДЕ

второго порядка (н/п2), уровень 2 - 25% - низкопороговые ПДДЕ первого порядка (н/п1), уровень 3 - 50% - среднепороговые или промежуточные ПДДЕ (с/п) и уровень 4 - 75 и более % - высокопороговые ПДДЕ (в/п).

Количество импульсов определённого уровня равнялось сумме его пересечений фронтами (нарастающими или спадающими) импульсов за определённый промежуток времени активности мышцы. Причём высчитывалось количество всех пересечений каждого уровня, начиная с самого низкого, с последующим вычитанием суммы из нижележащего уровня вышележащего, например:

Хn(ПДДЕ)4 уровень = (ПДДЕ)4 уровень - (ПДДЕ)3 уровень,

Хn(ПДДЕ)3 уровень = (ПДДЕ)3 уровень - (ПДДЕ)2 уровень,

Хn(ПДДЕ)2 уровень = (ПДДЕ)2 уровень - n(ПДДЕ)1 уровень,

где n - количество импульсов, чья амплитуда пересекает уровень одной из заданных амплитуд; (ПДДЕ) - сумма всех импульсов ДЕ, достигающих и пересекающих заданный уровень амплитуды.

Также проводился расчёт процентного соотношения или долей активации ПДДЕ, выраженных в процентах, по заданным амплитудам. Вычисление проводилось методом процентного соотношения количества импульсов ДЕ каждого из уровней амплитуд к общей сумме импульсов всех ДЕ.

Анализ ЭМГ статической и динамической работы

m. extensor carpi ulnaris до и после физической нагрузки

Параметры ЭМГ при статическом напряжении мышцы (поддержании позы) до и после физической нагрузки отображены в таблице 1.

После нагрузки происходит уменьшение частоты всех активных ДЕ, так в/п ПДДЕ почти полностью исчезают, с/п уменьшаются на 60% (р<0,5), н/п1 - на 70,2% (р<0,001) и н/п2 на 49,6% (р<0,05). В среднем частота уменьшается на 56% (р<0,001).

При общем уменьшении частоты ДЕ, наблюдается перераспределение долей активации ПДДЕ по заданным уровням амплитуд. Так происходит уменьшение доли активации в/п и н/п1, но увеличивается доля активации с/п и н/п2. Но наибольшую долю активации составляют н/п2 до и после физической нагрузки.

Таблица 1 Ц Параметры ЭМГ при статической работе

m. extensor carpi ulnaris за 1 с на заданных уровнях амплитуд

до и после физической нагрузки

Статическая работа (поддержание позы)

Частота ПДДЕ, Гц

Общая частота, Гц

Mm

Доля активации ПДДЕ, %

Уровни амплитуды, %

Уровни амплитуды, %

75,0 и более

Mm

50,0

Mm

25,0

Mm

12,5

Mm

75,0 и более

50,0

25,0

12,5

до нагрузки

0,20,1

0,5

0,3

9,42,1

23,2

4,6

33,33,3

0,5

1,5

28,3

69,7

после нагрузки

00

0,2

0,2

2,80,9

11,7

2,1

14,72,3

0

1,6

18,8

79,6

Разность, %

-100

-60

-70,2**

-49,6*

-55,9***

-100

+6,7

-33,6

+14,2

Примечание: р - достоверность различий двух средних величин по критерию Стьюдента:

* Ц  р<0,05; л** - р<0,01; л*** - р<0,001.

Причём статистически наиболее достоверным является изменение показателей частоты ПДДЕ до и после физической нагрузки на уровне амплитуды равной 25% от максимальной амплитуды.

При динамической работе активация ДЕ имеет иной характер (таблица 2).

Таблица 2 Ц Параметры ЭМГ при динамической работе

m. extensor carpi ulnaris при шаге на заданных уровнях амплитуд

до и после физической нагрузки

Динами-ческая работа

(шаг)

Частота ПДДЕ, Гц

Доля активации ПДДЕ, %

Уровни амплитуды, %

Общая частота, Гц

Mm

Уровни амплитуды, %

75,0 и более

Mm

50,0

Mm

25,0

Mm

12,5

Mm

75,0 и более

50,0

25,0

12,5

до нагрузки

15,7

4,7

20,3

3,1

71,6

4,8

71,9

7,4

179,4

10,7

8,7

11,3

39,9

40,1

после нагрузки

44,7

10,9

38,5

4,0

82,5

5,6

59,5

7,7

225,8

20,1

19,9

17,1

36,6

26,4

Разность, %

+184,7

**

+89,7

***

+15,2

-17,2

+25,9*

+128,7

+51,3

-8,3

-34,2

Примечание: р - достоверность различий двух средних величин по критерию Стьюдента: л* - р<0,05; л** - р<0,01; л*** - р<0,001.

ЭМГ при динамической работе до нагрузки за одно сокращение содержит больше н/п импульсов (80%), причём н/п1 и н/п2 активны почти в равной процентной доле (40%). Доля активации с/п ПДДЕ составляет 11,3%, в/п - 8,7%.

При анализе долей активации ПДДЕ до и после нагрузки происходит значительное смещение доли активации в сторону высокопороговых ДЕ (увеличиваются на 128,7%), в то время как с/п ПДДЕ - на 51,3%. Одновременно наблюдается уменьшение доли активации н/п ДЕ: н/п1 ПДДЕ уменьшается на 8,3%, н/п2 - на 34,2%. Полученные данные указывают на наличие одновременного процесса синхронизации и рекрутирования ДЕ, что является признаком утомления мышцы (А.А. Гидиков, 1975; В.Д. Моногаров, 1986;

T. Moritani, 1982; C.A. De Luka, 2008).

Статистически более достоверным значением изменений показателей частоты до и после нагрузки при динамической работе мышцы, является частота ПДДЕ на уровне 50% максимальной амплитуды.

При повышении нагрузки на мышцу на рыси значительно увеличивается степень активации в\п ПДДЕ - более чем на 100% (р<0,001), но снижается количество н/п ПДДЕ. Общее количество импульсов на рыси увеличивается на 60% (р<0,01). При анализе доли активации ПДДЕ наблюдается наибольший процент работы в/п ПДДЕ, при одновременном понижении доли н/п. На галопе происходит уменьшение частоты ЭМГ-сигнала на 6,9% (р<0,05), по сравнению с ЭМГ рыси, за счёт большего вовлечения в/п ДЕ и уменьшения количества остальных ДЕ.

Корреляция ЭМГ-сигналов m. extensor carpi ulnaris

1-го и 2-го каналов до и после физической нагрузки

Анализ корреляции двух каналов осуществлялся по ЭМГ m. extensor carpi ulnaris при шаге и поддержании позы до и сразу же после тренинга (таблица 3).

Таблица 3 Ц Корреляция ЭМГ-сигналов 1-го и 2-го каналов

при динамической и статической работе m. extensor carpi ulnaris

до и после физической нагрузки

Функцио-нальное

состояние

Динамическое мышечное сокращение (шаг)

поддержание позы (статика)

начало

середина

конец

полное

до нагрузки

0,55

0,53

0,51

0,50

0,55

после нагрузки

0,79

0,75

0,77

0,71

0,41

Разность, %

+30,4***

+29,3**

+33,8***

+29,6**

-34,1*

Примечание: р - достоверность различий двух средних величин по критерию Стьюдента: л* - р<0,5; л** - р<0,05; л*** - р<0,01

После физической нагрузки наблюдается увеличение коэффициента корреляции в среднем на 30% (р<0,05) и составляет 0,7-0,8. Наибольшее значение корреляции наблюдается в начале мышечного сокращения, наименьшее - за полное сокращение.

При статической работе мышцы (поддержании позы) значение корреляции после физической нагрузки снижается на 34,1% (р<0,5).

После физической нагрузки при шаге увеличивается сходство 1-го и 2-го каналов вследствие повышенной нервно-мышечной возбудимости; при поддержании позы корреляция сигналов падает вследствие десинхронизации потенциалов ДЕ при расслаблении мышцы.

Сходство ЭМГ с двух каналов легко можно обнаружить при визуальном анализе графического отображения ЭМГ, то есть импульсы с двух каналов почти идентичны друг другу по форме, амплитуде и длительности.

    1. Определение функционального состояния запястных суставов

у лошадей в условиях тренинга и испытаний

Проведён сравнительный частотный анализ АФГ между латеральной и медиальной, дорсальной и плантарной поверхностями левого и правого запястного сустава. Динамика изменений частоты с каждой из сторон по фазам полного цикла шага приведена на рис. 3.

Рис. 3. Области (в поперечном разрезе суставов) возникновения звуков разной частоты левого и правого запястного сустава по фазам полного цикла шага

При сгибании частота с латеральной поверхности левого запястного сустава составляет 24,1 Гц, с медиальной - 19,0 Гц, но у правого преобладающей является частота с медиальной поверхности - 22,8 Гц.

С дорсальной и пальмарной поверхностей частота составляет 10,2-10,6 Гц и 13,0-14,0 Гц соответственно.

При переходе фаз сгибания в разгибание частота остаётся в пределах 200 Гц на всех суставных поверхностях.

На следующей фазе шага - фазе разгибания показатель частоты преобладает с латеральной поверхности сустава по сравнению с медиальной, а именно на 5,3% левого сустава и на 24,2% (р<0,01) правого сустава. В данную фазу частота с пальмарной поверхности остаётся также преобладающей, чем с дорсальной на 112,5% (р<0,01) левого и на 20,5% (р<0,01) правого запястного сустава. Далее частота левого и правого сустава будет обозначаться через косую черту (/).

При сравнении фаз сгибания и разгибания в целом наблюдается уменьшение частоты в фазу разгибания с латеральной и медиальной поверхностей обоих суставов на 13,3% (р<0,4) / 2,3% соответственно и 29,8% (р<0,001) с медиальной поверхности правого сустава, но частота левого сустава с данной поверхности увеличивается на 4,2%.

Частота с дорсальной и пальмарной поверхностей в фазу разгибания увеличивается на 5,7% / 43,1% (р<0,001) и на 65,3% (р<0,001) / 35,4% (р<0,4).

При опоре наблюдается увеличение частоты суставных звуков со всех поверхностей, особенно с латеральной и пальмарной.

Частота АФГ запястного сустава до и после физической нагрузки

Для исследования влияния физической нагрузки на функциональное состояние запястных суставов в условиях тренинга, регистрация и анализ АФГ и ЭГГ проводился с дорсальной поверхности данного сустава.

Результаты изменений частоты АФГ дорсальной поверхности левого и правого запястного сустава до и после физической нагрузки приведены в таблице 4.

Таблица 4 Ц Частота АФГ дорсальной поверхности левого и правого запястного сустава до и после физической нагрузки, Гц

н

а

г

р

у

з

к

а

Фазы полного цикла шага

сумма частот при сгибании и разгибании

Mm

Разница, % (сгибание-разгибание)

сгибание

Mm

переход сгибания в разги-бание

Mm

разгибание

Mm

опора

Mm

Запястный сустав

п

п

п

п

п

п

до

8,3

0,3

9,2

0,9

20

0

20

0

10,6

0,9

11

0,9

19,2

0,6

16,1

0,5

12,7

1,7

12,1

1,1

+27,7

***

+19,6

***

пос-

е

10,0

0,3

10,2

0,5

20

0

20

0

14,5

1,6

14,3

1,0

15,4

1,6

19,9

1,3

13,3

0,8

14,8

1,3

+45,0

***

+40,2

***

Разни-ца, %

+20,5

***

+10,9

0

0

+36,8

**

+30,0

**

-19,8

**

+23,6

**

+4,7

+22,3

-

-

Примечание: р - достоверность различий двух средних величин по критерию Стьюдента:

* - р<0,05; л** - р<0,01; л*** - р<0,001.

После нагрузки общая частота суставных звуков увеличивается. Но показатели зависят от определённой фазы цикла шага.

Так, при сгибании наблюдается увеличение частоты на 20,5% (р<0,001) левого запястного сустава и на 10,9% (р<0,5) правого. При переходе сгибания в разгибание частота не изменяется и составляет 200 Гц. Но наибольшее увеличение частоты наблюдается при разгибании сустава - на 36,8% у левого и 30,0% у правого (р<0,01). При опоре частота так же увеличивается на 23,6% (р<0,01) у правого запястного, но уменьшается у левого на 19,8% (р<0,01).

При сравнении частоты АФГ с дорсальной поверхности сустава в фазу сгибания и фазу разгибания сустава, то после нагрузки данная разница увеличивается. Частота АФГ до физической нагрузки примерно равна у обоих суставов, но после нагрузки заметно увеличение частоты у правого запястного сустава по сравнению с левым.

    1. Комплексная оценка функционального состояния лошадей

в условиях тренинга и испытаний

Важным условием слаженного функционирования организма лошади при физических нагрузках, особенно высокоинтенсивных, является синхронность работы внутренних органов (в особенности лёгких и сердца) и двигательного акта (работа мышц и суставов). При синхронной работе сердца, лёгких, мышц и ритма движения, отодвигается период наступление явного утомления. Нарушение синхронизма является причиной или следствием наступающего утомления. (А.А. Ласков, 1982; М.А. Леонова, 1973; Г.Г. Карлсен и др., 1973; G.R. Colborne, 2001).

Поэтому нами проводилась синхронная регистрация некоторых физиологических параметров. Например, на рис. 4 показана синхронная запись физиологических сигналов дыхания и движения для анализа синхронности ритмов дыхания и движения.

Рис. 4. Графическая синхронная запись

дыхания и движения лошади на рыси и шаге

Сопоставление физиологических сигналов кардио-респираторной и нервно-мышечной систем у лошади (рис. 5) позволяет определять и оценивать не только синхронную работу органов систем организма лошади, но и более информативно анализировать причины функциональных нарушений, обнаруживая их на самой ранней стадии развития.

Рис. 5. Сопоставление физиологических показателей кардио-респираторной

и нервно-мышечной систем у лошади в покое

На рис. 6 показаны два примера сопоставления сигналов АФГ, ЭГГ и ЭМГ, которые служат критерием оценки состояния опорно-двигательного аппарата у лошади. Замечена положительная корреляция уменьшения амплитуды и увеличения частоты ЭМГ при высоких значениях частоты АФГ.

Рис. 6. Сопоставление АФГ, ЭГГ и ЭМГ: а - лошади с высокими частотами суставных звуков запястного сустава; б - лошади со среднестатическими (среди испытуемых лошадей) частотами суставных звуков запястного сустава

Комплексное определение функционального состояния у лошадей в полевых условиях тренинга и испытаний с использованием описанного оборудования не требует предварительной подготовки мест наложения датчиков (при регистрации ЭМГ необходимо только протирание этиловым спиртом), не используются вредные и болезненные для лошади средства крепления регистрирующих устройств. Что значительно сокращает время подготовительных операций и не вызывает у лошади стресса. Кроме того, с помощью разработанных оперативных методик и оборудования возможно определение переходных характеристик функционального состояния лошади сразу же после нагрузки. Комплекс физиологических параметров изменений функционального состояния лошадей, с дальнейшей доработкой программного обеспечения, помогут создать автоматическую диагностику физиологического статуса лошади для возможности применения данного оборудования любому человеку, изучающему изменения её функциональных систем с целью рационального распределения тренировочных нагрузок, диагностики или научного эксперимента.

  1. ВЫВОДЫ
  1. Разработаны простые методики и малогабаритное оборудование для комплексного, объективного и оперативного определения и оценки функционального состояния нервно-мышечного аппарата, работы сердца, лёгких и суставов у лошадей в условиях тренинга и испытаний
  2. Выделены наиболее информативные параметры электромиограммы, которые значительно (на 70-90%) меняются до и после физических нагрузок:

-частота импульсов моторных (двигательных) единиц при шаге (динамической работе) на уровне 50% от изоэлектрической линии при максимальной амплитуде шага 100%;

-частота импульсов моторных (двигательных) единиц при поддержании позы (статической работе) на уровне 12,5% от изоэлектрической линии при максимальной амплитуде шага 100%;

-корреляция сигналов моторных (двигательных) единиц 1-го и 2-го каналов (при 2-х канальной регистрации электромиограммы).

  1. Электромиограмма локтевого разгибателя запястья у лошадей характеризуется:
  • значительной выраженностью отдельных групп всплесков двигательных (моторных) единиц при малом мышечном напряжении при динамической работе;
  • полифазностью и высокой амплитудой импульсов;

Х высокой схожестью сигналов 1-го и 2-го каналов даже при большом межэлектродном расстоянии (25,0 мм).

  1. Выявлены особенности работы моторных (двигательных) единиц у лошадей до и после физической нагрузки при статической и динамической работе локтевого разгибателя запястья:
  • до нагрузки при статической работе (поддержание позы) наблюдается высокая активность низкопороговых моторных (двигательных) единиц (95%). При динамической работе (шаге) преобладают низкопороговые моторные (двигательные) единицы (80%). При увеличении активности мышцы (рысь, галоп) активация потенциалов действия моторных единиц смещается в сторону высокопороговых импульсов (возрастает до 80%), с одновременным уменьшением низкопороговых (до 16%).
  • после физической нагрузки при статической работе частота импульсов уменьшается на 56%, но увеличивается доля активации низкопороговых моторных (двигательных) единиц на 14,2%, незначительно промежуточных - на 6,7%; при динамической работе (шаге) частота электромиограммы увеличивается на 26%, вместе с тем увеличивается активация высокопороговых импульсов с уменьшением частоты низкопороговых.
  1. Для объективной оценки функционального состояния суставов у животных необходима одновременная регистрация и анализ артрофонограммы и электрогониограммы.
  2. Метод фонокардиографии, с использованием разработанного нами устройства, позволяет объективно, просто и главное быстро (по сравнению с ЭКГ) оценить функциональное состояние сердца в полевых условиях, так как не тратится время на крепления электродов на тело лошади.
  3. После физической нагрузки у тренируемых лошадей наблюдается увеличение частоты суставных звуков дорсальной поверхности запястного сустава на 30% во время фазы разгибания и опоры.
  4. При высокой частоте электромиограммы локтевого разгибателя запястья, наблюдается увеличение частоты суставных звуков с латеральной поверхности сустава за полный цикл шага и, наоборот, при низкой частоте электромиограммы одноимённой мышцы частота суставных звуков уменьшается.
  1. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
  1. Для регистрации биотоков скелетных мышц у лошадей рекомендуем использовать электроды для поверхностной электромиографии (Патент РФ № 81060) и крепления для них. Оперативную оценку работы сердца следует проводить с помощью метода фонокардиографии с использованием разработанного нами акустического датчика. Для оценки функционального состояния запястного сустава рекомендуем устройство для исследования сустава конечности (Патент РФ № 109649).
  2. Для развёрнутого анализа электромиограммы необходимо применять методику разложения электромиограммы на импульсы по уровням амплитуд с дальнейшим подсчётом частоты импульсов на данных уровнях.
  3. Для оценки утомления нервно-мышечного аппарата рекомендуем использовать поверхностную электромиографию с определением частоты импульсов на уровне 1/2 от максимальной амплитуды при динамической работе и при статической работе на уровне 1/4 от максимальной амплитуды тестового биоэлектрического сигнала шага.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК РФ:

  1. Зубарева Е. А. Электромиография скелетных мышц тренируемой лошади / Е. А. Зубарева // Коневодство и конный спорт. - 2011. - № 3. - С. 16-19.
  2. Зубарева Е. А. Определение функционального состояния суставов у лошадей в условиях тренинга и испытаний / Е. А. Зубарева // Омский научный вестник. -2011. - № 1 (104). - С. 165-169.
  3. Зубарева Е. А. Анализ биоэлектрической активности скелетных мышц тренируемой лошади / Е. А. Зубарева // Коневодство и конный спорт. - 2012. - № 2. - С. 17-19.

Патенты:

  1. Пат. 81060 РФ, МПК51 А 61 В 5/04. Электрод для поверхностной электромиографии / Зубарев А. А., Зубарева Е. А., Пьянов В. Д. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОмГАУ. - №2008119988/22, заявл. 24.06.2008 ; опубл. 10.03.2009, Бюл. № 7. 2 с. ; ил.
  2. Пат. 109649 РФ, МПК51 А 61 В 5/00. Устройство для исследования сустава конечности / Зубарев А. А., Зубарева Е. А., Пьянов В. Д. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОмГАУ. - №20011119801/14, заявл. 18.06.2011 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30. - 2 с. ; ил.

Публикации в материалах конференций:

  1. Пьянов В. Д. Электрофизические исследования в изучении стрессЦреактивности домашних животных / В. Д. Пьянов, Е. Д. Сотникова, Г. В. Хонина, Е. А. Зубарева // VI Сибирский физиологический съезд :  тезисы докладов. - Барнаул, 2008. - Т.2. - С. 57.
  2. Зубарева Е. А. Использование электромиографии скелетных мышц в комплексе показателей дыхания и движения лошади / Е. А. Зубарева // Международная научно-практическая конференция Современные проблемы, перспективы и инновационные тенденции развития аграрной науки, посвящённая 85-летию со дня рождения члена-корреспондента РАСХН, д. в. н., профессора М. М. Джамбулатова. - Махачкала, 2010. - Ч. 2 - С. 172-175.
  3. Зубарева Е. А. Электромиографический метод оценки функциональ-ного состояния нервно-мышечной системы лошадей и человека / Е. А. Зубарева, В. Д. Пьянов // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Материалы III Всероссийской молодёжной научно-практической конференции. - Кн. 2 - Омск, 2010. - С. 168-173.
  4. Зубарева Е. А. Комплексная оценка функционального состояния лошадей в тренинге // Наука и молодёжь: новые идеи и решения: Материалы V Международной научно-практической конференции молодых исследователей. - Волгоград, 2011. - Ч. 1. - С. 31-33.
  5. Зубарева Е. А. Комплексная оценка функционального состояния лошадей в производственных условиях / Е. А. Зубарева // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Материалы IV Всероссийской молодёжной научно-практической конференции. - Омск, 2011. - Кн. 2 - С. 193-196.

Публикации в информационных листах:

  1. Пьянов В. Д. Устройство для исследования сустава конечности : информ. л. № 55-014-11 / В. Д. Пьянов, Е. А. Зубарева, А. А. Зубарев. Омск : ЦНТИ, 2011. - 2с.
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии