СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ДВИГАТЕЛЬНОГО СТЕРЕОТИПА ФИЗИЧЕСКОГО УПРАЖНЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROLLING MOVEMENT PATTERN PARAMETERS OF PHYSICAL EXERCISE AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT

Настоящее изобретение относится к спортивной медицине и касается вопросов измерения основных (информативных) параметров двигательного акта, переработки полученной информации и управления дозированным, направленным воздействием на организм, происходящим непосредственно во время выполнения локомоций. Изобретение может быть применено в спортивной тренировке, профессиональной подготовке, физиотерапии, рефлексотерапии, на спортивных объектах, поликлиниках, больницах, профилакториях, в ветеринарии, в быту в качестве вспомогательного или основного средства при совершенствовании движений, лечении и профилактики заболеваний человека и животных.
В способах и устройствах коррекции или формирования двигательных (динамических) стереотипов оценивают состав и структуру двигательных действий с помощью различных общих (видео, киносъемка) и частных методик, сравнивают различные показатели зарегистрированных параметров с модельными, рассчитанными на основе математических моделей или эмпирического опыта, и подгоняют под принятую модель состав и структуру движений пациента.
Известны способ и устройство для формирования и/или развития двигательных навыков, закрепления динамических стереотипов, тренировки координации движений (патент RU 2364436 С1, опубл. 20.08.2009).
Способ осуществляют следующим образом. В ходе выполнения разучиваемого движения данное движение оцифровывается, сравнивается с оцифрованной моделью эталонного движения. В случае если обучаемый допустил отклонение в объеме каких-либо частей тела, контролируемых в разучиваемом движении, от эталонного движения, он получает тактильные сигналы, корректирующие движения соответствующих частей тела в объеме в реальном режиме времени. Устройство для реализации способа содержит датчики для оцифровки перемещения в объеме частей тела, участвующих в изучаемом движении, ЭВМ для сравнения полученного оцифрованного движения с эталонным движением и элементы обратной тактильной связи для корректировки в объеме в реальном режиме времени траекторий перемещения частей тела, участвующих в изучаемом движении.
Определение модели эталонного движения по этому способу не является достаточно обоснованным, так как рассчитывается или математическим или эмпирическим образом и может быть не оптимальной для обучаемого.
Кроме того, обеспечение оперативной тактильной корректирующей обратной связи с обучающимся может быть недостаточно для корректировки и оптимизации двигательного действия.
Известен способ реабилитации опорно-двигательного аппарата и устройство для его осуществления (патент RU 2054920 С1, опубл. 27.02.1996) который обеспечивает коррекцию движений обучаемого. Устройство для осуществления способа содержит тредбан в виде бесконечной подвижной ленты с блоком управления скоростью ее перемещения, систему ремней и тросов, реверсивный электродвигатель, блок дистанционного управления реверсивным электродвигателем, электростимулятор и две пары электродов.
Способ осуществляют следующим образом. Реабилитация спортсменов заключается в создании облегчающего силового воздействия на тело пациента в вертикальной плоскости, с одновременным силовым принудительным воздействием на нижние конечности в горизонтальной плоскости и электростимулирующим воздействием на мышцы.
В данном способе отсутствуют схема и алгоритм определения групп мышц, которые должны быть подвергнуты электростимулирующему воздействию. Это приводит к ошибочному определению стимулируемых групп мышц и не может привести к коррекции двигательного стереотипа.
Кроме того, спортсмен при осуществлении указанного способа не имеет достаточной степени свободы для реализации собственных оптимизационных двигательных решений.
Известен способ активной динамической электростимуляции мышц конечностей (патент RU 2246329 С1, опубл. 20.02.2005), в котором, на основе динамической электростимуляции пораженных мышц производится их реабилитация. Способ осуществляют следующим образом. Одновременно с прохождением тока выполняют движение, использующееся при мануальном мышечном тестировании. Исходные положения выбирают с учетом силы пораженной мышцы, определенной по результатам мануального мышечного тестирования. Далее подбираются отягощения, и движение в суставе может быть выполнено с различными весами в зависимости от степени поражения мышечных групп.
В данном способе отсутствует обоснованная система подбора нагрузки на пораженный сустав или мышечную группу. Характер движения при мануальном мышечном тестировании не является соответствующим тому двигательному (динамическому) стереотипу, при котором произошло поражение изучаемой группы мышц, так как всякое тестирование является отличным в той или иной его части от специального двигательного стереотипа в любом виде спорта. Таким образом, и само выбранное движение, и необоснованная искусственная нагрузка не могут обеспечить адекватного оптимизационного и восстановительного (релаксационного) эффекта на пораженные мышцы и суставы.
Наиболее близкими к предложенному являются способ коррекции двигательного стереотипа физического упражнения и устройство динамической электростимуляции для его осуществления (см. Ростовцев В.Л. Биологическое обоснование технологии применения внетренировочных средств для повышения работоспособности спортсменов высокой квалификации, Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук, м., 2009), в основе которых лежит срочное достижение единственного эффективного двигательного (динамического) стереотипа индивидуально каждым спортсменом.
При реализации способа коррекции двигательного стереотипа и устройства динамической электро стимуляции для его осуществления определяют главное функциональное звено (ГФЗ) локомоторной функциональной системы и характер воздействия тренировочного средства на это звено. Такой результат достигается на основе сравнения биомеханических параметров ГФЗ и соревновательного результата в соответствии с фазовой структурой движений локомоторной функциональной системы. Основной принцип алгоритма определения ГФЗ локомоторной функциональной системы заключается в измерении биомеханических (кинематических и динамических) показателей проявления усилий, определении их производных и сопоставление их с активными фазами цикла локомоций или законченного двигательного действия и величиной интегрального соревновательного показателя. В момент реализации ГФЗ (главной фазы цикла физического упражнения) непосредственно в ходе выполнения специального соревновательного упражнения на мышцы, осуществляющие выполнение этой фазы (например, четырехглавая мышца бедра), подается электростимуляционный импульс на мышечные группы для увеличения производных показателей (ускорений).
Было также выявлено, что лимитирующими факторами бегового шага являются не вся фаза отталкивания от опоры, как это можно было бы предположить заранее. Основным препятствием для поддержания скорости бега было торможение, возникающее при постановке ноги на опору и повышенные вертикальные колебания тела в начальной фазе полета. Поэтому проводились занятия по овладению приемами снижения отрицательного ускорения в фазе амортизации и снижения вертикальных колебаний тела. При выполнении задания по уменьшению отрицательного горизонтального ускорения существенно снизились ЧСС, время опоры и результирующая ускорений тела.
Для реализации способа использовалось устройство, представляющее собой тренажерно-исследовательский комплекс с дополнительными обратными информационными связями, содержащий акселерометр, пульсометр, датчик опоры, датчик полета и соединенные с ними усилитель и аналого-цифровой преобразователь, определяющие отрицательное горизонтальное ускорение, возникающее в момент постановки ноги на опору, и положительное вертикальное ускорение при отталкивании (см. та же, с. 25).
Для реализации способа также использовалось устройство для электростимуляции, содержащее две контактные группы, одна из которых установлена на левой лыже и левом ботинке. Другая контактная группа закреплена на правой лыже и правом ботинке. Устройство также включает малогабаритную батарею, генератор, преобразователь электрического сигнала, триггерную схему «или» и две пары электродов, устанавливаемых на т.quadriceps femoris левой и правой ног (см. там же, с. 36). В общем случае электроды могут быть установлены на любых других скелетных мышцах. Провода соединяют контактные группы и электроды со схемой «или» электростимулятора. При замыкании контактов на левой лыже и левом ботинке электростимуляционный сигнал поступает на электроды правой ноги. Так как, цикл движений лыжника состоит из поочередных отталкиваний ногами, электростимуляционный сигнал поступает поочередно на каждую пару электродов каждой ноги точно в момент отталкивания от опоры. Устройство синхронизации в лыжных гонках обеспечивает поочередную подачу дополнительной энергии в виде электрического импульса на m. quadriceps femoris точно в момент ее наибольшего напряжения в момент отталкивания непосредственно при передвижении на лыжах зимой или на лыжероллерах в бесснежное время года. Это приводит к увеличению количества двигательных единиц, способствует созданию гладкого тетануса, восстановлению пластического резерва, улучшению нервной регуляции не только m. quadriceps femoris, но и других скелетных мышц.
В данном способе коррекции двигательного стереотипа с использованием устройства динамической электростимуляции для его осуществления производится воздействие только на одно звено функциональной системы - ГФЗ. При этом не оцениваются и не подвергаются коррекции отрицательные проявления отдельных двигательных действиях в других фазах цикла всей функциональной системы.
Кроме того, корректирующим приемом в этом способе и устройстве является только динамическая электростимуляция. Она используется однократно в каждом цикле упражнения. Отрицательные проявления отдельных двигательных действий в остальных фазах цикла, которые могут быть исправлены с помощью других, не менее эффективных средств, не применяются.
Также в этом способе не измеряется и не корректируется скорость проведения нервного импульса при сокращении и расслаблении мышц, что, как известно, является одной из отличительных особенностей квалификации спортивного мастерства.
Перечисленные особенности этого способа не позволяют усовершенствовать любое физическое упражнение в полной мере, т.к. более длительная часть цикла движения не подвергается оптимизации.
Задачей заявленного способа управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения и устройства для его осуществления, является непрерывное, комплексное и наиболее полное достижение единственного эффективного двигательного (динамического) стереотипа индивидуально каждым спортсменом.
Отличительной особенностью заявленного способа управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения и устройства для его осуществления является системность (воздействует на всю систему), комплексность (измеряются частные и интегральный критерии, подаются энергетические и информационные добавки) и непрерывность (измерение и управление производится непрерывно в режиме реального времени) выполнения контрольно-измерительных процедур наиболее информативных параметров движения и управляющих воздействий, позволяющих автоматически усовершенствовать двигательный акт в соответствии с частными и интегральным критериями.
Кроме того, система позволяет корректировать главную способность физических действий - повышать скорость нарастания и снижения усилий, которая оценивается по математической производной (наклон касательной к функции изменения выбранного параметра) - непосредственно в ходе выполнения одного физического упражнения.
Программный продукт, заложенный в микропроцессоре предложенного устройства, позволяет выделять в физическом упражнении наиболее активные фазы и определить скорость нарастания регистрируемых параметров движения (сил, ускорений, перемещений во всех задействованных суставах, электроактивности мышц и т.п.). Это делается с помощью сложения экстремумов всех регистрируемых параметров и вычисления производных их нарастания. Такие же расчеты производятся для отрицательных составляющих сил, по которым коррекция по их уменьшению проводится с помощью информационных воздействий («добавок») - системы обратных связей.
После того, как определены фазы положительных активных проявлений движения, подаются энергетические воздействия («добавки»), позволяющие увеличить градиенты нарастания усилий, что соответствует повышению не только скорости нарастания усилий и росту их максимальных значений, но и повышению скорости снижения усилий, т.е. быстрейшему расслаблению мышц, что является главным фактором повышения работоспособности. Все это сопровождается повышением скорости проведения активных и тормозящих нервных импульсов в центральной и периферической нервной системе.
При реализации предложенных способа и устройства важно точно определить временную диаграмму (амплитудно-частотную характеристику) акцентов приложения сил локомоторной функциональной системы и характер воздействия тренировочного средства. Такими тренировочными средствами могут быть как энергетические, так и информационные воздействия («добавки»).
Таким образом, технический результат предложенного изобретения заключается в повышении эффективности управления параметрами двигательного стереотипа за счет обеспечения непрерывного управления как в фазе активного роста усилий, так и в фазе снижения усилий в процессе одного физического упражнения.
Технический результат достигается способом управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения, заключающимся в том, что во время выполнения спортсменом физического упражнения непрерывно измеряют параметры движения спортсмена, выбранные, например, из ряда: скорость и ускорение перемещения общего центра масс тела и отдельных звеньев тела, угловая скорость суставов и сила мышечных групп тела, электроактивность мышц и т.п., непрерывно измеряют параметры ответных реакций организма, рассчитывают математические производные функций измеренных параметров движения от времени, непрерывно определяют основной интегральный показатель эффективности выполнения физического упражнения и оценивают влияние на него мгновенных значений измеренных параметров и их производных, оказывают энергетическое воздействие на звенья тела, изменяющее производные в сторону улучшения основного показателя эффективности, а также оказывают информационное воздействие на спортсмена для обеспечения уменьшения отрицательной производной силы мышечных групп тела. При этом энергетическое воздействие на звенья тела оказывают путем подачи на кожу электрических импульсов.
Технический результат достигается также устройством для управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения, содержащим датчики параметров движения и датчики ответных реакций, предназначенные для размещения на спортсмене, соединенный с ними микроконтроллер, соединенные с микроконтроллером блок формирования энергетических воздействий, и блок формирования информационных воздействий, соединенный с передатчиком зрительного, и/или слухового и/или тактильного воздействия на спортсмена, а также блок управления, соединенный с микроконтроллером.
Кроме того, блок формирования энергетических воздействий включает генератор электрических импульсов и соединенный с электродами, предназначенными для установки на мышечных группах спортсмена,
Способ управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения осуществляется следующим образом. Сначала производят биомеханическую оценку двигательного стереотипа соревновательного упражнения (например, конькового лыжного хода в лыжных гонках, или бегового шага в легкой атлетике, или в гребле, или в велосипедном спорте, или в иных видах спорта). Регистрируют основные параметры движения (средняя скорость прохождения дистанции, мгновенная скорость при отталкивании и др.) и основные параметры двигательного стереотипа, обеспечивающие уровень основного соревновательного показателя (основной интегральный показатель эффективности выполнения физического упражнения).
Затем на основе сравнения биомеханических параметров через небольшие промежутки времени (например, через каждые 5 мс) в соответствии с фазовой структурой движений определяют главные мышечные группы и главные функциональные звенья (ГФЗ) (в том числе и информационные) локомоторной системы. Алгоритм определения таких мышечных групп и функциональных звеньев в циклическом движении и в однократном законченном двигательном действии заключается в сравнении биомеханических (кинематических и динамических) акцентов проявления усилий и сопоставление их с активными фазами цикла локомоций или законченного двигательного действия и величиной интегрального соревновательного показателя.
Главным функциональным звеном (ГФЗ) локомоторной функциональной системы называется та фаза цикла локомоций или законченного двигательного действия, в которых максимумы (биомеханические экстремумы) проявления усилий совпадают с активными фазами.
Например, если рассмотреть биомеханическую и фазовую структуры движений лыжника - гонщика, можно заметить, что значительное повышение скорости (интегрального соревновательного показателя) наблюдается в момент не только отталкивания ногой от опоры, но и махов вперед ногами и руками. Это повышение скорости сопровождается такими же изменениями ускорения общего центра масс тела и других биомеханических характеристик. При этом они достигают своих максимальных величин в цикле движения, то есть своих экстремумов.
При анализе фазовой структуры движений можно отметить, что, например, в лыжном ходе активные фазы чередуются с пассивными. Существуют активные фазы, в которых происходят отталкивание ногами и руками одновременно, а также только одними руками. Биомеханические экстремумы совпадают с активной фазой при одновременном отталкивании ногами и руками.
Однако не только энергетическая добавка в момент наибольших напряжений может способствовать совершенствованию интегрального показателя целостного движения, но и информационная добавка может способствовать исключению уменьшения интегрального показателя в ходе выполнения физического упражнения.
Например, при легкоатлетическом беге информация об отрицательном ускорении, возникающем в разные фазы, может способствовать поддержанию высокой скорости передвижения. То же касается передачи информации об экономичности двигательных действий, например, о пульсовой стоимости одного метра пути (отношении частоты пульса к скорости передвижения).
Определение ГФЗ локомоторной функциональной системы при отдельном законченном двигательном действии происходит аналогично. Оно может представлять одну активную фазу, например, бросковые или ударные движения. Однако при анализе биомеханической структуры этого движения экстремумы параметров обнаруживаются в определенных подфазах этих локомоций. Совпадение максимума основного соревновательного показателя и обеспечивающих его экстремальных биомеханических показателей будет означать наличие главных функциональных звеньев локомоторной функциональной системы отдельного законченного двигательного действия.
В момент реализации физического упражнения, последовательно на разные группы мышц или анализаторы организма, подают энергетические или информационные вспомогательные добавки, позволяющие автоматически усовершенствовать двигательный акт в соответствии с выбранными критериями.
Таким образом, методология организации предложенных способа и устройства основывается на моделировании тестирующих и рекордных режимов двигательной деятельности, реализуемых в условиях измерительных стендов и/или естественной тренировки. Создание специализированных условий окружающей среды с применением точечного «помогающего» воздействия на главные мышечные группы и информационную среду позволяет зарегистрировать рекордные показатели физического упражнения в соответствии с собственной конституцией и уровнем подготовленности каждого спортсмена. Такой подход позволяет выявить индивидуальную структуру рекордного физического баланса физического движения, которая с наибольшей точностью отражает индивидуальный эффективный двигательный стереотип.
Предлагаемый подход позволяет избежать предельного напряжения неподготовленных мышечных групп и, тем самым, избежать переутомления и травм. Это обусловлено несколькими обстоятельствами.
Во-первых, исключение двигательных действий, несвойственных данному виду спорта, которые часто проявляются в мануальных мышечных тестированиях, позволяет задействовать в ходе тестирований только подготовленные, постоянно подвергающиеся тренировке мышечные группы и системы обеспечения двигательной деятельности.
Во-вторых, при обеспечении указанных принципов организации тренировки с рекордными показателями, привнесение энергетической добавки, облегчение двигательных задач, повышение рекуперационных возможностей и т.п. создают условия для восстановления систем реализации двигательного потенциала в ходе самой тренировки. Еще Н.А. Бернштейн указывал на то, что организм человека способен восстанавливать затрачиваемые ресурсы непосредственно во время обычных двигательных актов. В данном случае восстановительные эффекты многократно усиливаются целенаправленными дополнительными воздействиями. Это дает возможность не только снять лимитирующую преграду для достижения рекорда, но и повышает эффективность работы восстановительных механизмов в моменты пассивных фаз двигательных действий, что, безусловно, снижает предельную нагрузку, характерную для рекордных достижений, тем самым, способствует уменьшению вероятности явлений переутомления и травм.
Устройство для управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения содержит микроконтроллер, блок формирования энергетических воздействий, блок формирования информационных воздействий, блок управления, связанный с GPS-приемником, ЖК дисплеем и накопителем памяти. С микроконтроллером соединено зарядное устройство и аккумулятор.
Датчики параметров движения и датчики ответных реакций предназначены для размещения на спортсмене и соединены с микроконтроллером. Блок формирования энергетических воздействий включает генератор электрических импульсов и соединен с электродами, предназначенными для установки на мышечных группах спортсмена. Блок формирования информационных воздействий соединен с передатчиком зрительного/слухового/тактильного воздействия на спортсмена.
Три упомянутых блока и датчики могут быть соединены с микроконтроллером проводной связью, при этом блоки расположены в одном корпусе и крепятся на экипировке спортсмена. В другом варианте блоки и датчики могут быть соединены с микроконтроллером беспроводной связью (по радиоканалам).
Устройство работает следующим образом.
Во время выполнения физического упражнения информация с датчиков движения поступает в микроконтроллер. Датчики движения и датчики ответных реакций (или все устройство в целом с подключенным к микроконтроллеру аккумулятором) могут быть расположены в специальном костюме - комбинезоне, в местах для снятия наиболее информативных показателей двигательных действий. В качестве датчиков движения могут быть использованы акселерометры, датчики положения, гониометры, датчики силы, давления и т.п., т.е. регистраторы кинематических и динамических параметров движения.
В соответствии с показаниями GPS-приемника с помощью программного обеспечения в микроконтроллере непрерывно рассчитывается основной интегральный показатель эффективности выполнения физического упражнения. Это может быть скорость передвижения, или дальность метания снаряда и т.п. При этом непрерывно оценивается эффективность каждого частного параметра по динамике влияния его на основной интегральный показатель. Причем, применением энергетических и информационных добавок непрерывно исследуется и реализуется возможность увеличения положительных (увеличивающих основной интегральный показатель) и уменьшения отрицательных двигательных действий. Это делается с помощью специальной компьютерной программы, зашитой в микроконтроллере. Программа обеспечивает расчет эффективности каждого отдельного двигательного действия и дает команду на ее повышение применением добавок. В блоке формирования энергетических воздействий в качестве источника энергетических добавок могут быть использованы накожные и организменные электростимуляторы (например, генератор электрических импульсов, соединенный с электродами, предназначенными для установки на мышечных группах спортсмена), механические, электромеханические устройства и т.п. Управление ими может производиться по проводной связи или по радиоканалу. В качестве информационных добавок могут быть использованы обратные биологические связи по зрительному, слуховому, тактильному каналам.
Датчики ответных реакций позволяют оценить экономичность и эффективность функционирования организменных систем энергообеспечения. Такими датчиками могут быть оценены показатели электроактивности мышц, потребления кислорода, частоты сердечных сокращений (ЧСС) и т.п. Далее могут быть рассчитаны показатели пульсовой, кислородной стоимости двигательных действий и с помощью блока формирования энергетических воздействий и блока формирования информационных воздействий сформированы добавки (энергетическое и информационное воздействие) для их совершенствования.
Блок управления предназначен для включения и выключения всего комплекса, предоставления данных на табло - ЖК дисплее, накоплении данных на носителе - накопителе памяти, передаче данных и информирования спортсмена. В качестве информационного табло могут быть применены специальные очки.
Зарядное устройство предназначено для зарядки аккумулятора.
Скорость проведения нервных импульсов возбуждения и торможения оценивается по наклону изменения динамических кривых при напряжении и расслаблении мышц. Рассчитывается производная (наклон касательной) таких функций. Чем больше наклон кривой, тем выше скорость проведения нервного импульса и выше эффективность выполнения физического упражнения. Повышение эффективности реализуется посредством своевременного точечного применения энергетических и информационных добавок.
Предложенный способ иллюстрируется на примере легкоатлетического бега. В таблице 1 приведены параметры движения, измеренные в ходе выполнения упражнения по легкоатлетическому бегу.
В таблице 1 приняты следующие обозначения:
мгн
V, м/с - мгновенная скорость;
S, м - расстояние, преодолеваемое спортсменом за 5 мс;
t, мс - текущее время в миллисекундах;
Аг, g, Ав, g - горизонтальная и вертикальная составляющие ускорения тела;
Fг, н, Fв, н - горизонтальная и вертикальная составляющие реакции опоры;
мгн
Э, мкВ - мгновенная электроактивность мышц;
ЧСС, уд/мин - частота сердечных сокращений;
ЭМС, в - электростимуляция мышц;
V, м/с - среднее значение скорости;
ш
L, м - длина шага;
ш
f, гц - частота шагов;
ПС, уд/м - пульсовая стоимость 1 м пути = ЧСС:(V×60);
t
F, Нс - импульс силы;
ν
K, % - коэффициент вариации скорости бега.
мгн;
где σ - среднеквадратичное отклонение Vх - среднеарифметическое значение скорости.
Измерения параметров производилось непрерывно (в данном примере через каждые 5 миллисекунд). Показаны первые 30 мс от начала касания опоры и последняя в этом шаге 475 мс. Далее идет касание опоры другой ногой.
Расчетные параметры - средние величины для двух шагов. В первом шаге после определения влияния частных параметров на интегральный (в данном случае, средняя скорость бега) с помощью специальной программы (которая не может быть раскрыта) рассчитывались производные функций параметров движения от времени, оценивалось их влияние на среднюю скорость бега и принималось решение о реализации энергетической или информационной коррекции путем энергетических и информационных воздействий соответственно. После коррекции во втором шаге повысилась скорость бега (интегральный показатель) и понизилась пульсовая стоимость бега. Это означает повышение эффективности данного физического упражнения, о чем свидетельствуют изменения и других параметров.