Биомеханическая диагностика оптимального выполнения циклических движений

Биомеханическая диагностика оптимального выполнения циклических движений

Кандидат технических наук А.А. Жиляев, Российская государственная академия физической культуры, Москва 

Цель настоящей работы - предложение количественного биомеханического критерия оценки оптимальности техники выполнения циклических движений, основанного на минимизации объема коррекционных движений при выполнении поставленной задачи. Сначала на примере изучения наиболее распространенного вида движения - ходьбы мы покажем, что эффективность выполнения различных видов движения зависит от функционального состояния мышц, принимающих непосредствен ное участие в изучаемом движении. 

Нами была изучена ходьба 69 здоровых, физически не тренированных мужчин в возрасте 20…55 лет. В отличие от традиционного метода исследования динамических параметров ходьбы, заключающегося в однократной регистрации реакции опоры, мы исследовали вертикальную составляющую реакции опоры в серии из 10 шагов каждого испытуемого. Подобная методика исследования позволила выявить статистические закономерности нормальной ходьбы, т.е. вариабельность информативных биомеханических параметров в серии шагов испытуемых. Исследования проводились с использованием двух динамометрических платформ. Ходьба всех испытуемых исследовалась в привычном темпе. В процессе естественной ходьбы испытуемый последовательно наступал каждой ногой на одну платформу. Относительная нагрузка на нижние конечности определялась в процентах, при этом мы исходили из того, что суммарная нагрузка на обе конечности за двойной шаг составляет 100%. Интегрирование вертикальной составляющей реакции опоры позволяет определить суммарную нагрузку на конечность за шаг при ходьбе. 

Все обследованные испытуемые были разделены на возрастные группы. Для каждой из них были определены следующие биомеханические параметры: относительная нагрузка на ноги при ходьбе (т.е. нагрузка на каждую ногу при ходьбе по отношению к суммарной нагрузке в 100 %), величина отношения среднего за шаг давления на поверхность опоры (эта величина рассчитывалась по теореме о среднем значении функции на интервале) к весу испытуемого и средняя длительность фаз опоры конечностей. Задача данного исследования состояла в сравнительном анализе вариабельности каждого из перечисленных выше параметров для ведущей и контралатеральной конечностей. Полученные данные приведены в таблице. 

Результат исследования позволил сделать вывод о том, что вариабельность исследуемых биомеханических параметров меньше на стороне ведущей конечности (с большей силой отталкивания) во всех возрастных группах испытуемых. Данный результат позволил нам предположить, что функциональное состояние мышц опорной конечности с большей силой отталкивания несколько выше, чем контралатеральной конечности. 

Для подтверждения данного предположения мы сопоставили вертикальные составляющие реакции опоры (см. рисунок) одноименных конечностей при ходьбе (также в серии из 10 шагов) четырех испытуемых -мужчин: 1 - пациента с травмой коленного сустава - привычным вывихом надколенника (27 лет), 2 - физически здорового нетренированного человека (22 года), 3 - спортсмена-велосипедиста (27 лет) и 4 - пожилого человека (78 лет). 

Силовые и временные параметры нормальной ходьбы

Возраст-

ные руппы

20-24

25-29

30-34

35-39

40-44

45-49

50-54

Колич. испыт

9

15

11

9

9

9

77

Конеч-

ность

вед

контр

вед

контр

вед

контр

вед

контр

вед

контр

вед

контр

вед

контр

Относит нагрузка, %

50,80 49,20 ±0,55

50,98 49,02 ±0,60

50,58 49,42 ±0,51

50,85 49,15 ±0,44

50,75 49,25 ±0,53

50,56 49,44 ±0,48

50,73 49,27 ±0,63

Среднее давление / вес

0,82 ± 1,53%

0,79 ± 2,31%

0,82 ± 1 61%

0,79± 1,98%

0,82 ± 1,55%

0,80 ± 2,07%

0,83 ± 1,36%

0,80 ± 1,94%

0,83 ± 1,67%

0,79± 2,09%

0,82 ± 1,32%

0,79 ± 1,97%

0,84 ± 1,35%

0,79 ± 2,10%

Среднее время опоры,с

0,73 ± 2,98%

0,73 ± 3,63%

0,74 ± 2,34%

0,74 ± 2,86%

0,76 ± 2,47%

0,76± 3,27%

0,78 ± 2,48%

0,79 ± 3,35%

0,77 ± 2,42%

0,78 ± 3,17%

0,75 ± 2,78%

0,76 ± 3,57%

0,76 ± 2,10%

0,77 ± 2,83%

Боль в коленном суставе приводит к уменьшению нагрузки на поврежденную конечность у пациента с привычным вывихом надколенника, что видно из уменьшения амплитуд вертикальной составляющей опоры при переднем и заднем толчках. Сравнение динамограмм вертикальной составляющей реакции опоры больного с привычным вывихом надколенника и здорового нетренированного человека свидетельствует о том, что при повышении нагрузки на конечность вариабельность опорных реакций снижается. Этот факт может быть объяснен тем, что с увеличени ем нагрузки на мышцы вариабельность ЭМГ-показа телей уменьшается, поскольку повышается количество синхронно работающих мышц [3]. В результате этого закономерно снижается вариабельность и динамических параметров ходьбы. 

Для количественной характеристики различия формы вертикальной составляющей реакции опоры от шага к шагу при ходьбе нами предложен коэффициент вариабельности реакции опоры Kv, пропорцио нальный площади зоны, в которой расположены все динамограммы вертикальной составляющей реакции опоры. Этот коэффициент при нормальной ходьбе составляет для левой ноги 0,16 ± 0,03 и для правой - 0,17 ± 0,04 (указанные значения получены на основе обследования акта ходьбы 69 здоровых испытуемых). Данный коэффициент отражает вариабельность процесса нагружения каждой из конечностей при ходьбе, поэтому он имеет свое значение для каждой из них. 

Повышение вариабельности биомеханических параметров ходьбы при поражении опорно-двигательного аппарата нижних конечностей относительно нормы - показатель несовершенства акта ходьбы, поскольку ее рост свидетельствует о повышении затрат мышечной энергии на коррекцию и поддержание стереотипа ходьбы [6]. Выработка двигательного навыка, в частности навыка ходьбы, заключается не только в том, чтобы добиться правильной координации движения, но и в том, чтобы осуществить это движение с минимальной затратой мышечной энергии, обеспечив мышцам максимальную продолжительность отдыха в моменты шага, когда их активность не востребована [8]. Поэтому уменьшение вариабельности данного параметра (т.е. уменьшение коэффициента Кv) в процессе реабилитации лиц с травмами и повреждениями суставов и сегментов нижних конечностей может быть использовано для объективной оценки его результата. 

Обратимся теперь к сравнению стабильности формы вертикальной составляющей реакции опоры при ходьбе физически не тренированного человека и спортсмена-велосипедиста. Несмотря на примерно равную нагрузку на конечности у обоих испытуемых, вариабельность данного параметра заметно ниже у человека, занимающегося спортом, чем у человека, ведущего в основном сидячий образ жизни. Можно предположить, что улучшение функционального состояния мышц нижних конечностей в результате тренировки также сопровождается повышением синхронности их деятельности, что приводит к более стабильно повторяющейся от шага к шагу форме вертикальной составляющей реакции опоры. 

У спортсменов разной квалификации наблюдается различие вариабельности ряда биомеханических параметров циклических движений. Так, например, при сопоставлении степени вариабельности кинематических и электрофизиологических параметров при беге на дистанцию 400 м обнаружено, что у спортсменов высокой квалификации наблюдается относительная стабильность кинематических характеристик движения к концу дистанции, в то время как у новичков на последних метрах дистанции резко увеличива ется вариабельность обеих групп показателей. Этот факт указывает на то, что с повышением квалификации спортсменов вариабельность показателей внешней структуры двигательного акта резко снижается [4]. Исследование коэффициента вариации длительности электрической активности ряда мышц нижних конечностей у спортсменов-бегунов высокой квалификации также показало его уменьшение при беге с максимальной скоростью [1]. 



Вариабельность вертикальных составляющих реакции опоры: 1 - пациента с привычным вывихом надколенника, 2 - физически не тренированного человека, 3 - спортсмена-велосипедиста, 4 - пожилого человека 

Серия вертикальных составляющих реакции опоры пожилого человека характеризуется значительно большим разбросом формы этой составляющей от шага к шагу при ходьбе, чем у испытуемых младших возрастных групп. Подобный факт можно объяснить снижением уровня двигательной активности с возрастом и соответствующим снижением тонуса скелетных мышц. 

Материалы данного исследования могут быть использованы для объективной оценки выносливости человека при длительной нагрузке на ноги при движении. Из двух спортсменов, занимающихся одним видом спорта, в котором участвуют нижние конечности, лучшего результата может добиться тот спортсмен, вариабельность биомеханических параметров движения которого меньше, поскольку при прочих равных условиях у него меньше затраты мышечной энергии на коррекцию стереотипа движения, т.е. для него характерна большая экономичность движения. 

Таким образом, практическое применение предложенной методики оценки статистических закономер ностей циклических движений позволяет, с одной стороны, оценить функциональное состояние мышц нижних конечностей, а с другой - оценить степень совершенства выполнения циклических движений на основе минимизации объема вспомогательных движений, направленных на коррекцию основного движения. 

Что касается механизма минимизации коррекционных движений при улучшении функционального состояния мышц нижних конечностей, то, вероятно, в его основе лежит повышение афферентации с мышечных рецепторов конечностей. Рост объема афферентной информации с мышц конечности, усиление внутрисег ментарной импульсации приводят к повышению точности выполнения производимого движения и к пропорциональному снижению вариабельности его характеристик. Особенно наглядно это проявляется при сравнении стабильности биомеханических параметров нормальной и патологической ходьбы: вследствие повреждения или утраты мышечных рецепторов при различных травмах и повреждениях сегментов нижних конечностей сокращается приток афферентной информации с мышц этой конечности, что приводит к повышению вариабельности биомеханических параметров на стороне поврежденной конечности. 

Рецепторы мышечных веретен, как и другие рецепторы опорно-двигательного аппарата (например, суставные), относятся к механорецепторам и служат для того, чтобы информировать ЦНС о состоянии и изменениях механических свойств окружающей их мышечной ткани [5]. Физическая нагрузка у малотренированных испытуемых вызывает более значительное повышение импульсации с мышечных рецепторов, чем у более тренированных пациентов [2]. Кроме того, имеются данные об изменении характера импульсации с мышечных рецепторов при атрофии мышц, например связанной с длительной иммобилизацией конечностей [7]. Эти факты свидетельствуют об имеющейся взаимосвязи функционального состояния мышц с характером импульсации с мышечных рецепторов. 

В заключение следует предположить, что аналогичный подход может быть применен для оценки степени совершенства различного рода циклических движений конечностей (в том числе и верхних). В этом случае может быть применен статистический анализ других биомеханических кривых, отражающих доминирующие движения в конкретном виде спорта (например, гониограмм коленного сустава при ударе по мячу). В процессе тренировки совершенствуется техника выполнения упражнения, а объем движений, корректирующих ход выполнения упражнений, сокращается, конечный результат достигается с меньшими затратами мышечной энергии. Предложенный критерий позволяет путем сопоставления циклограмм в серии однотипных движений спортсмена объективно оценить результат тренировочного процесса, проследить его динамику в ходе подготовки к соревнованиям, определить в конкретный момент спортсмена, находящегося в лучшей спортивной форме. 

Список литературы

1. Козлов И.М., Истомин И.М., Говорков Л.П. Способ комплексного исследования движений человека. Сб. тр. РНИИТО, вып. 13, Рига, 1975, с. 552 - 554. 

2. Кушниренко Е.А., Немченко А.А. Использование треморометрии в оценке состояния нервно-мышечной системы моряков // Военно-медицинский журнал, 1985, № 7, с. 52 - 54. 

3. Пахомов В.Г. О вариативности кинографических, тензографических и электромиографических показателей при выполнении стереотипных силовых движений // Теор. и практ. физ. культ., 1970, № 5, с. 31 - 34. 

4. Попов В.Ф., Пахомов В.Г. Вариативность некоторых внешних и внутренних показателей движения при беге на 400 м. В кн.: Физиологические основы управления движениями. М.,1975, с. 120 - 121. 

5. Проблемы физиологии движений. Сб. ст. под ред. В.С. Гурфинкеля. - Л. : Наука,1980.- 216 с. 

6. Саранцев А.В. Методы исследования ходьбы человека как колебательного процесса для оценки результатов протезирования: Канд. дис., М.,1975. 

7. Серебрякова Н.Г. Динамика спектральной структуры микродвижений при кинезотерапии начальных стадий искривления позвоночника. Автореф. канд. дис., Н.Новгород,1995.- 28 с. 

8. Славуцкий Я.Л., Баскакова Н.В. Количественная электромиография как метод биомеханических исследований. Тез. докл. 2-й Всесоюзн. конф. по проблемам биомех. - Рига: Зинатне,1979, т. 4, с. 52 - 54.