Innowacyjne badania układu oddechowego na użytek sportu
Prawidłowy oddech buduje fundament rozwoju sportowca. Praca nad pożądanymi nawykami oddechowymi istotnie podnosi możliwości psychofizyczne zawodników, a świadomie prowadzone interwencje oddechowe mogą stanowić ważne narzędzie w toku treningów, podczas trwania zawodów czy w czasie regeneracji.
Olga Cygan
Tekst przygotowany na podstawie konsultacji z dr. hab. inż. Marcelem Młyńczakiem, prof. uczelni z Instytutu Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej.
Układ oddechowy i układ krążenia tworzą w połączeniu zintegrowany większy system. Jego celem jest nieprzerwane dostarczanie tlenu do tkanek oraz usuwanie dwutlenku węgla. Ilościowa relacja tych gazów we krwi jest zarówno efektem pracy układów oddechowego i krążenia, jak i kluczowym narzędziem służącym do utrzymania ich sprawności. Jest to przykład biologicznego sprzężenia zwrotnego. Wydajność sportowca zależy od wewnętrznej, harmonijnej współpracy w ramach zintegrowanego układu krążeniowo-oddechowego. Ponadto mechaniczna aktywność oddechowa wspiera pracę serca. Poprawne oddychanie przeponowe zwiększa jego wydajność, odciążając mięsień sercowy i optymalizując ciśnienie tętnicze.
W Instytucie Meteorologii i Inżynierii Biomedycznej Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej od przeszło dekady realizowane są prace naukowe i badawcze związane z rozwojem metod rejestracji i analizy danych dotyczących parametrów interakcji między układem oddechowym i układem krążenia. Celem jest lepsza interpretacja zmienności parametrów, w tym usunięcie wpływu oddechu na zmiany parametrów opisujących zmienność rytmu serca, a także oznaczenie wpływu różnic w oddychaniu na czynność serca u badanych. W toku prac zespół naukowy objął badaniami szeroką grupę sportowców – m.in. reprezentantów Polski przygotowujących się do Igrzysk Olimpijskich w Rio de Janeiro oraz Igrzysk Olimpijskich w Tokio.
Prace prowadzone przez prof. Młyńczaka rozpoczęły się od przeglądu publikacji i weryfikacji możliwości diagnostycznych. Uznano, że uzasadnione byłoby dodanie precyzyjnych informacji związanych z oddechem do rejestracji aktywności serca z użyciem badania EKG. Niektóre wyznaczane z EKG parametry nie zależą wprost od chwilowej aktywności układu oddechowego, inne – tak. Wpływ na czynność serca odnotować można na przykład przy przejściu na bardzo spowolniony oddech (rzędu sześciu bardzo wolnych oddechów na minutę), a także w trakcie każdego wdechu i wydechu (niemiarowość oddechowa). Bez rejestracji oddechu podczas badania rytmu serca nie mamy możliwość szerzej zinterpretować aktualną dyspozycję badanego. Nie wiemy też, czy oddech chwilowo nie był zaburzony.
Dla lekarzy dostępne są różne metody pozyskiwania danych o oddechu. Każda z nich ma swoje uwarunkowania. Najprostszym źródłem informacji jest wywodzenie jej pośrednio z zapisów badania EKG. Interpretowanie na tej podstawie daje jednak małą dokładność i wymaga użycia zaawansowanych aparatów do EKG. Kolejna opcja diagnostyczna to użycie pasa oddechowego z tensometrami reagującymi na naprężenia i rejestrującymi ich zmiany. Mankamentem takiego badania jest fakt, że pas może rejestrować dane tylko albo z toru piersiowego, albo z toru brzusznego. Śledzimy falę związaną z oddechem, ale może ona nie ukazywać objętości oddechu – tego czy był głęboki czy płytki.
Następny wariant badania to opcja chrakteryzująca się większą dokładnością, ale zdecydowanie mniej praktyczna i wygodna w użyciu. Aby rejestrować przepływ, można wykorzystać kaniulę donosową. Rejestrowany jest wtedy tor przepływu przez nos. Nie notujemy wtedy oddechu przez usta. Do jego uchwycenia można zastosować termistor – drobne urządzenie, które umieszczane jest przy ustach. Rejestruje ono różnicę temperatur pomiędzy powietrzem wdychanym (chłodniejszym z otoczenia) a wydychanym (ogrzanym przez organizm), monitorując na tej zasadzie przepływ oddechu. W badaniach można łączyć czujniki termistora i kaniuli dla większej dokładności pomiaru. Ma to uzasadnienie w warunkach stacjonarnych, jednak w sporcie jest to rozwiązanie mało praktyczne. Przy badaniach z udziałem zawodników pożądane jest rozwiązanie, które umożliwia realizację intensywnej aktywności wraz z monitoringiem parametrów oddechowych.
Zespół naukowy Wydziału Mechatroniki PW doszedł do wniosku, że rozwiązanie kompromisowe – bez śledzenia bezpośrednio przepływu powietrza, ale znacznie podnoszące dokładność monitoringu w stosunku do pasa oddechowego – będzie możliwe, gdy pomiary skupią się na rejestrowaniu zmian impedancji elektrycznej klatki piersiowej.
Impedancja jest to parametr mówiący o tym, jak tkanka przewodzi prąd elektryczny. Jeżeli impedancja jest większa, to znaczy, że prąd jest słabiej przewodzony, jeżeli jest mniejsza, to znaczy, że lepiej. W uproszczeniu, w obrębie klatki piersiowej wszystkie narządy zawierają wodę i struktury, które dobrze przewodzą prąd (w tym przypadku prąd jonowy, a nie elektronowy). Tkanki wokół tułowia, w tym układu oddechowego – niezależnie od tego czy bierzemy wdech czy wydech – dobrze przewodzą prąd. Powietrze nie przewodzi prądu, jest izolatorem. W momencie wypełnienia nim płuc, cały obszar układu oddechowego ma większą impedancję, czyli ma większy opór dla prądu elektrycznego. Kiedy robimy wydech, impedancja się zmniejsza. Gdy w odpowiednich miejscach zostaną przyklejone elektrody, można rejestrować poszczególne wdechy i wydechy.
Prof. Marcel Młyńczak rozpoczął tworzenie prototypu urządzenia do pneumografii impedancyjnej i testowanie jego praktycznych zastosowań. Powstawały kolejne wersje urządzenia do graficznego zapisu ruchów klatki piersiowej i czynności oddechowej odnoszącego się do oporu elektrycznego. Od wersji 3. urządzenia wprowadzone zostały rozwiązania umożliwiające mierzenie tymi samymi elektrodami aktywności serca i układu oddechowego.
Urządzenie otrzymało nazwę Pneumonitor. W drodze licznych testów z jego wykorzystaniem potwierdzona została poprawność rejestracji danych dotyczących objętości, przepływu, zapisu parametrów zmienności rytmu serca – zarówno u dorosłych jak i dzieci.
W trakcie rozwoju prac na bazie wcześniejszych kontaktów naukowych rozpoczął się projekt we współpracy z Centralnym Ośrodkiem Medycyny Sportowej. W jego ramach zostały wdrożone badania pilotażowe z udziałem reprezentantów Polski na Igrzyska Olimpijskie w Rio de Janeiro w 2016 roku. Badania z udziałem zawodników były kontynuowane przed Igrzyskami w Tokio w 2021 roku. Sprawdzano m.in., czy będzie możliwe oznaczenie indywidualnych progów przemiany tlenowej i beztlenowej u sportowców – bez konieczności rejestracji gazów oddechowych i bez pobierania krwi do oceny poziomu laktanów. Oznaczenie progów procesów wytwarzania energii w organizmie realizowane jest podczas próby wysiłkowej na rowerku – cały czas w masce i z powtarzanym pobieraniem krwi z palca. W projekcie, dzięki użyciu Pneumonitora, zaproponowano innowację procesową usuwającą niedogodności związane z maską i pobieraniem krwi.
Kolejnym podjętym w badaniach wątkiem było zbieranie z użyciem Pneumonitora danych dotyczących układów krążenia i oddechowego u sportowców podczas fazy recovery – czyli fazy powrotu do stanu bazowego po maksymalnym lub submaksymalnym wysiłku. Standardowo podczas testów wysiłkowych rejestracja obejmuje czas wysiłku od momentu startu jazdy na rowerze do uzyskania kresu możliwości wydolnościowych. Z perspektywy parametryzacji dla trenera bardzo interesująca jest również faza następna, która służy powrotowi do bazowej dyspozycji. Badania umożliwiły oznaczenie indywidualnego czasu przejścia z maksymalnego poziomu częstości oddechowej (nawet 60-70 oddechów na minutę) do poziomu bazowego (12-16 oddechów na minutę). Dały informację, jak różni zawodnicy radzą sobie z fazą powrotu po skrajnym wysiłku.
Aktualnie realizowany jest grant z użyciem Pneumonitora w warunkach treningowych. Stosowana jest zminiaturyzowana (czwarta) wersja urządzenia w formie patch do przyklejania na klatce piersiowej i bez konieczności stosowania przewodów. Projekt realizowany jest we współpracy między Politechniką Warszawską, Warszawskim Uniwersytetem Medycznym i Uniwersytetem Radomskim. Środowiskiem realizacji są sekcje piłki nożnej dzieci i młodzieży w wieku 8-18 lat klubu Radomiak Radom. Celem badań jest personalizacja planów treningowych na podstawie różnych obiektywnych parametrów fizjologicznych. Rejestracja danych z Pneumonitora jest jednym z elementów monitoringu procesu treningowego. Służy bieżącej korekcie i modelowaniu obciążeń przez trenera pod kątem oczekiwanego efektu. Zaprojektowano zbieranie danych w określonych odcinkach czasu podczas modelowanych w trakcie procesu interwencji dotyczących przebiegu jednostek treningowych.
Urządzenie nie jest dostępne na rynku w trybie do standardowego zakupu. Od samego początku traktowane jest jako narzędzie badawcze. Jego zastosowanie w dalszej perspektywie możliwe jest w ramach projektów naukowych realizowanych z Wydziałem Mechatroniki Politechniki Warszawskiej i współpracy z podmiotami zewnętrznymi lub w drodze udostępniania do działań o charakterze badawczym.
Źródła:
Młyńczak, M. Współpraca lekarz – inżynier [w:] Profundere Scientiam 1(20)/2026, biuletyn Centrum Studiów Zaawansowanych PW https://csz.pw.edu.pl/Wydarzenia/Nowy-numer-biuletynu-Profundere-Scientiam-1-20-2026
Młyńczak, M.; Krysztofiak, H. Respiratory Activity during Exercise: A Feasibility Study on Transition Point Estimation Using Impedance Pneumography. Sensors 2021, 21, 6233. https://doi.org/10.3390/s21186233
