Введение к работе
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:
-
Выделить комплекс наиболее информативных физиологических параметров для оценки функционального состояния тренируемых лошадей;
-
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;
-
Найти комплекс наиболее информативных показателей, характеризующих влияние физической нагрузки на функциональное состояние организма лошадей в процессе тренинга;
-
Охарактеризовать степень активации двигательных единиц по ЭМГ статической и динамической работы мышцы до и после физической нагрузки (при утомлении);
-
Дать физиологическое обоснование результатам анализа биоэлектрической активности мышц и суставных звуков до и после физической нагрузки.
-
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:
-
Разработанные нами датчики, приёмы и методы поверхностной электромиографии, фонокардиографии, пневмографии, артрофонографии и электрогониометрии обеспечивают комплексное оперативное определение физиологического состояния органов и систем организма лошади.
-
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.
-
Совместное применение артрофонографии и электрогониометрии гарантирует объективную оценку функционального состояния суставов у лошадей.
-
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.
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 “Cor-De-Star” (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 155±5 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.
