Способ оценки эргономических свойств элементов боевой индивидуальной экипировки военнослужащих
METHOD FOR ASSESSING THE ERGONOMIC PROPERTIES OF ELEMENTS OF COMBAT INDIVIDUAL EQUIPMENT OF SERVICEMEN

Изобретение относится к медицине, в частности к биомеханике, касается способа оценки эргономических свойств элементов боевой индивидуальной экипировки военнослужащих (БИЭВ), предусматривающий оценку влияния элементов БИЭВ на биомеханические характеристики движений. Способ может обеспечить высокую точность и достоверность экспертизы элементов БИЭВ на этапах проектирования и создания эргономически рациональных конструкций, а также может повысить качество оценки соответствия модернизированных или вновь разработанных элементов БИЭВ эргономическим требованиям, установленным в регламентирующих документах.
Проводимые в Российской Федерации медико-биологические исследования БИЭВ делают возможным теоретическое обоснование перспективных направлений их совершенствования. Одним из важных медицинских аспектов, рассматриваемых при модернизации и создании перспективных образцов БИЭВ, является исследование их влияния на функциональное состояние и работоспособность (боеспособность) военнослужащих в процессе осуществления военно-профессиональной деятельности. Исследуемыми факторами являются физиолого-гигиенические и эргономические характеристики элементов БИЭВ. Конструктивным особенностям элементов БИЭВ и соответствующим им эргономическим характеристикам при этом уделяют особое внимание [1-3].
На сегодняшний день ГОСТ РВ 52511-2005 является основным действующим документом, регламентирующим общие требования к эргономическим характеристикам, предъявляемым к базовым элементам БИЭВ [4]. С позиции медицинских специалистов, одним из важных требований ГОСТ РВ 52511-2005 является соответствие элементов БИЭВ биомеханическим требованиям: обеспечение свободы и объема движения головы, шеи, туловища, верхних и нижних конечностей. Однако в ГОСТ РВ 52511-2005 не указывается способ, который необходимо использовать при оценке биомеханических характеристик движения, а также какие количественные значения ограничения свободы движения допускаются при воздействии элементов БИЭВ.
Из числа известных, интерес представляет способ регистрации биомеханических характеристик движения человека с помощью видеоанализа (видеозахвата) его движений (Motion capture), который широко используют в спортивной биомеханике. Для реализации способа на костных выступах испытуемого закрепляют активные маркеры (светоотражатели), работающие в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн. Инфракрасный сигнал поступает в телевизионную камеру, матрица которой преобразует сигналы в цифровой вид и передает их на персональный компьютер. Рассматриваемый способ обладает значимым преимуществом, так как на теле испытуемого не устанавливают устройства, которые бы ограничивали свободу его движений. Возможность искажения естественной двигательной активности испытуемого исключается [5].
Однако при использовании такого способа возникает ряд технических трудностей. Во-первых, в процессе движения в течение некоторого промежутка времени светоотражатели могут перекрываться от объектива камеры, что препятствует регистрации значений одного или нескольких углов, возникающих между сегментами тела при их движении. Во-вторых, зоны видеосъемки ограничены, что заставляет проводить исследование на ограниченных площадях. В-третьих, качественное проведение измерений возможно только при низкой освещенности, что не всегда возможно при проведении видеозахвата движений, например, военнослужащих, осуществляющих свою военно-профессиональную деятельность, связанную с динамическими нагрузками, в том числе в полевых условиях.
Использование данного способа для оценки влияния элементов БИЭВ на биомеханические характеристики движений ограничивает еще один существенный недостаток, а именно, доступ к костным выступам испытуемого ограничивают элементы БИЭВ, что требует, нарушая методику проведения измерений, устанавливать светоотражатели на поверхности экипировки. В связи с этим, реальная картина положения сегментов тела в пространстве отражается недостаточно объективно, что в итоге может существенно исказить результаты измерений. Поэтому использование указанного способа для оценки влияния элементов БИЭВ на биомеханические характеристики движений военнослужащих, крайне затруднительно [6, 7].
В травматологии, ортопедии и клинической биомеханике для измерения амплитуд движений при осуществлении функциональной диагностики суставов конечностей и суставных сочленений позвоночника широко применяется инструментальный способ, сущность которого заключается в использовании при измерении углов специального циркуля - гониометра. При физиолого-гигиенической оценке влияния конструктивно-механических свойств элементов военной одежды на биомеханическую характеристику движений в суставах и позвоночнике для получения объективных данных используют гониометр, оснащенный телескопической штангой и вращающимися ножками [8-11].
Такой гониометр позволяет определять амплитуды движений в крупных суставах и позвоночнике с точностью до 1-2 градусов, но при этом величину горизонтального отведения и приведения в плечевом суставе измеряют с помощью обычного угломера.
При реализации указанного способа активные движения в суставах производят трехкратно с максимально возможной амплитудой. Подвижность верхних конечностей оценивают по величине амплитуды сгибания-разгибания в локтевом суставе, а также сгибания-разгибания, отведения вертикального-приведения вертикального, отведения горизонтального-приведения горизонтального в плечевом суставе.
Подвижность нижних конечностей оценивают по степени подвижности в коленном и тазобедренном суставах. В коленном суставе оценивают сгибание и разгибание, а в тазобедренном - сгибание при выпрямленной и согнутой в колене конечности, а также отведение при выпрямленной в колене конечности.
Подвижность в позвоночнике оценивают по сгибанию и разгибанию, наклонам вправо и влево.
Указанный способ оценки имеет ряд существенных недостатков, которые затрудняют использование его для определения эргономических свойств элементов БИЭВ путем оценки их влияния на биомеханические характеристики движений военнослужащих. Прежде всего, при реализации указанного способа требуется привязка положения гониометра к анатомическим ориентирам - опорным точкам, которые служат местами приложения ножек гониометра при проведении измерений (фиг. 1). При измерении амплитуды сгибания-разгибания в плечевом суставе ножки гониометра прикладывают к головке (I) и латеральному надмыщелку (2) плечевой кости, а при измерении амплитуды отведения вертикального-приведения вертикального - к головке плечевой кости (9) и локтевой впадине (10).
При определении амплитуды отведения горизонтального-приведения горизонтального бранши угломера фиксируют во фронтальной плоскости в области верхнего края лопаток и к плечевой кости. Определение амплитуды движений производят при нефиксированной лопатке.
При измерении амплитуды движений в локтевом суставе ножки гониометра прикладывают к локтевому (3) и шиловидному (4) отростку локтевой кости. Плечо в этом случае фиксируют вертикально. При измерении амплитуды сгибания-разгибания в тазобедренном суставе ножки гониометра прикладывают к верхушке большого вертела (5) и латеральному надмыщелку (6), а при измерении амплитуды отведения-приведения - к верхушке большого вертела (11) и коленной чашечке (12).
При измерении амплитуды движений в коленном суставе ножки гониометра прикладывают к верхушке головки малой берцовой кости (7) и латеральной лодыжке (8). Бедро при этом фиксируют вертикально.
При измерении амплитуд движений в позвоночнике ножки гониометра прикладывают на остистый отросток VII грудного позвонка (13) (наиболее выступающую назад точку позвоночника) и остистый отросток у поясничного позвонка (14) (наиболее лордотически углубленную точку позвоночника в поясничном отделе). Как видно, использование гониометра при оценке влияния элементов БИЭВ на подвижность позвоночника будет представлять существенные трудности из-за практической невозможности нахождения под элементами БИЭВ опорных точек и правильного прикладывания к ним ножек гониометра.
Для минимизации возможных ошибок все измерения необходимо производить при строгом контроле положения гониометра. Строгая привязка положения гониометра к анатомическим ориентирам, а именно, установка ножек гониометра точно в опорные точки, практически не приемлема при оценке эргономических свойств многих элементов БИЭВ и особенно габаритных, так как доступ к опорным точкам затруднен или вообще невозможен. Данное обстоятельство существенно усложняет проведение измерений, а в ряде случаев делает их практически невозможными.
Обязательным условием проведения измерений с использованием гониометра является статическое положение тела испытуемого, который стоит у вертикальной стойки, касаясь ее пятками, позвоночником и затылком. Это также делает невозможным оценку влияния элементов БИЭ на биомеханические характеристики движений военнослужащих в процессе осуществления военно-профессиональной деятельности.
Технические особенности и сложности использования гониометра показаны при реализации способа оценки функционального состояния позвоночника путем оценки его кривизны и подвижности в сагиттальной и фронтальной плоскостях [12]. Указанный способ позволяет получить дифференцированную картину амплитуд движений в различных отделах позвоночника [13]. Оценивают конфигурацию позвоночника в сагиттальной плоскости, а также объем движений различных его отделов в сагиттальной и фронтальной плоскостях.
Анатомические точки, которые используют как опорные при измерениях сагиттальной кривизны позвоночника:
- остистый отросток VII шейного позвонка как наиболее выступающая назад точка позвоночника на границе шейного и грудного отделов;
- остистый отросток VII грудного позвонка как наиболее выступающая назад точка позвоночника в грудном отделе (вершина физиологического грудного кифоза). Эта точка лежит несколько ниже линии, соединяющей нижние углы лопаток;
- остистый отросток V поясничного позвонка как наиболее лордоточески углубленная точка позвоночника в поясничном отделе;
- остистый отросток IV крестцового позвонка как последняя выдающаяся кзади точка позвонка по средней линии спины.
Использование указанного способа позволяет, приложив к указанным опорным анатомическим точкам ножки гониометра, определить углы наклона к вертикали отделов позвоночника: крестца, пояснично-нижнегрудного, верхнегрудного и шейного отделов. Зная эти углы, вычисляют суммарные углы поясничного лордоза, грудного кифоза и шейного лордоза.
В целях увеличения точности измерений при оценке кривизны позвоночника необходимо соблюдать следующие требования:
- знать определенные анатомические точки, к которым при измерениях прикладываются ножки гониометра;
- установить обследуемого в свободно-выпрямленном положении тела. При этом голова должна находиться в ушно-глазничной горизонтали (козелок уха и нижний край глазницы должны располагаться на одной горизонтальной линии). В некоторых случаях прибегают к фиксации туловища в требуемом положении при помощи специальных фиксаторов (подставок, станков);
- тщательно подготовить прибор к работе (совпадение стрелки в вертикальном положении с нулевым делением шкалы, расположение прибора в сагиттальной плоскости и другое).
Поэтапно измеряя углы наклона к вертикали трех основных отделов позвоночника (крестца, пояснично-нижнегрудного и верхнегрудного отделов) определяют:
- сагиттальную кривизну позвоночника в свободном вертикальном положении тела (стоя):
- углы наклона при максимальном сгибании (наклон вперед).
- углы наклона при максимальном разгибании (наклон назад).
Затем изучают подвижность позвоночника во фронтальной плоскости, для чего измеряют углы наклона к вертикали его пояснично-нижнегрудного и верхнегрудного отделов при наклонах вправо и влево.
Указанный способ позволяет в случае соблюдения отмеченных требований оценить конфигурацию и подвижность позвоночника и выполнить измерения сагиттальной кривизны позвоночника с ошибкой, не превышающей 0,5-1,0 град.
Как видно, использование указанного способа при оценке влияния большинства элементов БИЭ и особенно габаритных на биомеханические характеристики движений военнослужащих практически не осуществимо ввиду невозможности выполнения основных из обозначенных требований, и прежде всего, привязки положения гониометра к анатомическим ориентирам и обеспечения у обследуемого свободно-выпрямленного положения тела.
Способ, применяемый при физиолого-гигиенической оценке влияния конструктивно-механических свойств элементов военной одежды на амплитуды максимально возможных активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и позвоночнике, предусматривающий использование гониометра, является наиболее близким к заявленному способу по сущности и совпадающим признакам и принят в качестве прототипа [8].
Отмеченные существенные недостатки не позволяют считать способ-прототип простым в проведении и его использование для оценки влияния элементов БИЭ на биомеханические характеристики движений военнослужащих практически не приемлемо.
Таким образом, проблема отсутствия способа, позволяющего осуществить с высокой точностью и достоверностью оценку влияния элементов БИЭВ на биомеханические характеристики движений в настоящее время весьма актуальна.
Целью изобретения является разработка способа оценки эргономических свойств элементов боевой индивидуальной экипировки военнослужащих, позволяющего с высокой точностью и достоверностью оценить влияние элементов БИЭ на биомеханические характеристики движений военнослужащих в процессе моделирования элементов военно-профессиональной деятельности
Цель изобретения достигается за счет разработки способа, позволяющего определять эргономические свойства элементов БИЭВ путем оценки их влияния на биомеханические характеристики движений военнослужащих - амплитуды максимально возможных активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и позвоночнике, а также дать с высокой точностью и достоверностью количественную оценку ограничения объема движений в суставах конечностей и суставных сочленениях позвоночника в процессе моделирования элементов военно-профессиональной деятельности.
Заявляемый способ предусматривает использование комплекса «Траст-М» (ООО «Неврокор», г. Москва) [14], основу которого представляют семь беспроводных миниатюрных биомеханических сенсоров «Траст-М». Биомеханический сенсор «Траст-М» представляет собой бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС), основной принцип работы которой связан со встроенной гироскопической системой, производящей прямое измерение угловой скорости движения и интегрирование ее в углы пространственной ориентации.
Комплекс «Траст-М» находит применение в различных областях медицины: неврологии (диагностика и реабилитация больных с последствиями перенесенного инсульта, сотрясением головного мозга, дисциркуляторными энцефалопатиями, гиперкинезами, парезами и параличами конечностей, миодистрофией, поражениями крупных нервных стволов различного генеза, ДЦП, болезнью Паркинсона, поражением корешков спинномозговых нервов, нарушением проприорецепции и вестибулярного аппарата и других состояниях, сопровождающихся клинической или субклинической двигательной симптоматикой), постурологии (объективная комплексная оценка постуральной функции, в том числе стабилометрия 3D), травматологии и ортопедии (выявление аномалий суставов и позвоночника, диагностика контрактур, прогнозирование и оценка эффективности лечения, помощь в подборе параметров ортезов и протезов при протезировании, анализе эффективности и влияния ортезов и протезов на опорно-двигательный аппарат), восстановительной медицине (функциональная диагностика двигательной патологии, оценка двигательных локо-моций с количественными и качественными показателями нарушенной функции, подбор методов лечения, контроль динамики восстановительных процессов), мануальной терапии (функциональная диагностика опорно-двигательной системы, оценка результатов до и после лечения), оториноларингологии (исследование функции вестибулярного аппарата), офтальмологии (оценка результатов коррекции зрения и улучшения функционального состояния зрительного анализатора), стоматологии (контроль успешности проведенных вмешательств в челюстно-лицевой системе), фармакологии (оценка действия лекарственных веществ), наркологии (определение алкогольного и наркотического опьянения), лечебной физкультуре (оценка эффективности проводимого лечения), спортивной медицине (диагностика спортивных травм мышечно-связочного аппарата и суставов, предотвращение травматизма спортсменов, реабилитация, исследование функции равновесия спортсменов и их статодинамической устойчивости, контроль качества обучения упражнениям, оценка переносимости тренировочных нагрузок, создание более оптимального спортивного инвентаря, разработка методик контроля техники выполнения спортивных движений и их коррекции, технической и тактической подготовки спортсменов в отдельных видах спорта), биомеханике двигательных действий (изучение свойств и функции опорно-двигательного аппарата и двигательных действий человека на основании понятий, принципов и законов классической механики), клинической биомеханике (диагностика, поиск способов оптимального лечения и оценка полученных результатов).
Биомеханические сенсоры имеют преимущества в размерах, энергопотреблении, позволяют решать задачи трехмерного ориентирования, позиционирования, измерения скорости и ускорений в трех осях, имеют набор информационных интерфейсов, которые позволяют решать различные научно-исследовательские задачи [15, 16].
Находят применение биомеханические сенсоры для измерения углов при оценке движений человека [17, 18] и количественной оценке работоспособности (боеготовности) военнослужащих [19].
Сведения об использовании комплекса «Траст-М» и биомеханических сенсоров «Траст-М» при оценке влияния элементов БИЭВ на биомеханические характеристики движений - амплитуды максимально возможных активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и позвоночнике, а также количественной оценке ограничения объема движений, в доступных источниках информации не обнаружены.
При реализации заявляемого способа для оценки влияния элементов БИЭВ на амплитуды максимально возможных активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и в позвоночнике биомеханические сенсоры «Траст-М» фиксируют на определенных сегментах верхних и нижних конечностей и позвоночника, соответствующих проекциям анатомических областей, используя входящую в комплекс систему креплений (эластичная лента, трехщелевая регулировочная застежка).
Отличительной особенностью заявляемого способа от способа-прототипа является то, что он предусматривает измерение амплитуд активных движений испытуемых при выполнении ими ациклических двигательных локомоций, которые представляют максимальные по амплитуде активные движения в крупных плечевых и локтевых суставах верхних конечностей, в крупных суставах нижних конечностей, в позвоночнике, и разработаны для моделирования элементов военно-профессиональной деятельности. При измерении амплитуд активных движений в крупных суставах верхних конечностей, или крупных суставах нижних конечностей, или в позвоночнике с применением заявляемого способа ациклические двигательные локомоции выполняют в определенном порядке.
Использование беспроводных биомеханических сенсоров «Траст-М» позволяет регистрировать влияние даже габаритных элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и в позвоночнике в процессе выполнения ациклических двигательных локомоций.
Биомеханические сенсоры «Траст-М» соединены с персональным компьютером по беспроводному телеметрическому каналу связи, радиус действия которого составляет до 50 метров, что позволяет использовать комплекс в больших залах, стадионах и на улице. При помощи маршрутизатора дальность приема сигнала можно существенно увеличить. Указанное немаловажно при проведении измерений в полевых условиях. При использовании комплекса «Траст-М» не требуется затемнение.
Входящий в состав комплекса «Траст-М» персональный компьютер со специализированным программным обеспечением позволяет регистрировать сигналы, поступающие от биомеханических сенсоров «Траст-М» и отражающие углы их пространственной ориентации, автоматически анализировать биомеханические параметры движений и визуализировать их в виде графиков средних значений амплитуд активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и в позвоночнике (фиг. 2).
Для определения средних значений амплитуд активных движений, зарегистрированных при выполнении испытуемыми ациклических двигательных локомоций, выбирают 20 эпох анализа. Эпоха анализа - расстояние между точками на графике, соответствующими двум последовательным прохождениям биомеханического сенсора «Траст-М» через одно и то же положение в одном и том же направлении. Амплитуды активных движений определяют по разности между максимальным и минимальным значениями на графике средних значений амплитуд.
При определении средних значений амплитуд активных движений статистическую обработку экспериментальных данных проводят с использованием пакетов прикладных программ Microsoft Office EXCEL-2013 и Statistica 10.0. Значимость различий показателей между сравниваемыми выборками определяют с помощью однофакторного дисперсионного анализа с дальнейшей обработкой методом множественных сравнений (критерий Стьюдента-Ньюмена-Кейлса). Различия считают достоверными при р<0,05.
Использование гониометра, оснащенного телескопической штангой и вращающимися ножками, при реализации способа-прототипа позволяет измерять амплитуды движений в крупных суставах конечностей и позвоночнике с точностью до 1-2 град. При реализации же заявляемого способа за счет использования биомеханических сенсоров «Траст-М», частота дискретизации которых достаточно велика и составляет 1024 Гц, точность измерений составляет 0,5 град.
Возможность достижения цели изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Реализация заявляемого способа при оценке влияния элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в крупных суставах верхних конечностей.
В ходе экспериментов оценивали эргономические свойства трех вариантов БИЭВ:
- вариант 1 (майка, трусы, спортивная обувь);
- вариант 2 (майка, куртка, брюки, ботинки с высоким берцем);
- вариант 3 (майка, куртка, брюки, ботинки с высоким берцем, модуль защиты).
При этом модуль защиты представляли:
- бронежилет (БЖ) общевойсковой единый 6Б45 в основной комплектации, содержащий противоосколочный модуль, композитные унифицированные бронепластины (БП) класса защиты 5А для грудной и спинной секций;
- бронешлем (БШ) 6Б47;
- комплект защиты суставов (КЗС).
В ходе экспериментов была сформирована группа испытуемых из 10 здоровых добровольцев мужского пола в возрасте от 20 до 36 лет.
Для оценки влияния элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в плечевых и локтевых суставах верхних конечностей, используя систему креплений, фиксировали 5 беспроводных биомеханических сенсоров «Траст-М» на сегментах тела:
- в области проекции грудины;
- на латеральных поверхностях плеч в верхних их третях;
- на латеральных поверхностях предплечий в нижних их третях.
Места фиксации биомеханических сенсоров «Траст-М» и интерфейс программного обеспечения комплекса «Траст-М» приведены на фиг. 3.
Испытуемые в экипировке, эргономические свойства которой оценивают, осуществляли ациклические двигательные локомоций, представляющие максимально возможные по амплитуде активные движения в плечевых и локтевых суставах, в следующем порядке:
1) 20 подъемов рук вверх через стороны (отведений в плечевых суставах);
2) 20 подъемов рук вверх (сгибаний в плечевых суставах);
3) 20 сгибаний в локтях (в локтевых суставах);
4) 20 подъемов рук вверх назад (разгибаний в плечевых суставах).
Каждый испытуемый выполнял указанные движения верхних конечностей трехкратно с перерывом не менее 24 ч.
При реализации заявляемого способа по графику средних значений эпох амплитуд, путем определения максимума и минимума, определяли амплитуды активных движений в крупных суставах верхних конечностей как проекции трехмерных углов, зарегистрированных в пространстве при перемещении биомеханических сенсоров «Траст-М», закрепленных на указанных в примере сегментах тела, на сагиттальную и фронтальную плоскости.
Экспериментально установлено, что амплитуды активных движений в плечевом и локтевом суставах верхних конечностей зависят от веса и конструктивных особенностей элемента экипировки, эргономические свойства которого оценивают (таблица 1). Майка из экипировки варианта 1 не оказывала влияния на амплитуды выполняемых активных движений в верхних конечностях. Достигалась максимально допустимая свобода активных движений.
В то же время, куртка из экипировки варианта 2 (конструктивные особенности проймы и рукава) ограничивала свободу движений верхних конечностей и особенно в плечевом суставе при сгибании и разгибании. Отведение вертикальное в левом плечевом суставе возможно с амплитудой 148±16 град., в правом - 149±14 град., сгибание в левом плечевом суставе - с амплитудой 141±19 град., в правом - 145±15 град., разгибание в левом плечевом суставе - с амплитудой 40±8 град., в правом - 41±12 град., сгибание в левом локтевом суставе - с амплитудой 127±12 град., в правом - 125±12 град., что, соответственно, на 6,93%, 4,98%, 17,02%, 16,55%, 34,19%, 29,27%, 6,34% и 9,04% меньше, чем определенные для майки в составе варианта 1 экипировки (р<0,05).
Добавление к куртке в экипировке варианта 3 тяжелых и громоздких модулей защиты в виде БЖ общевойскового единого 6Б45 в основной комплектации, содержащего противоосколочный модуль, композитные унифицированные бронепластины класса защиты 5А для грудной и спинной секций, и комплекта защиты суставов, способствовало дальнейшему существенному ограничению свободы движений в левом и правом плечевых суставах и особенно при отведении вертикальном, сгибании и разгибании.
В результате воздействия модуля защиты в виде БЖ общевойскового единого 6Б45 в основной комплектации отведение вертикальное в левом плечевом суставе возможно только с амплитудой 125±16 град., в правом - 129±13 град., сгибание в левом плечевом суставе - с амплитудой 123±6 град., в правом - 125±2 град., разгибание в левом плечевом суставе - с амплитудой 33±5 град., в правом - 34±5 град., что, соответственно, на 18,10%, 15,07%, 14,63%, 19,20%, 22,84% и 20,59% меньше, чем определенные для куртки в составе варианта 2 экипировки (р<0,05).
В результате воздействия модуля защиты в виде КЗС сгибание в левом локтевом суставе возможно с амплитудой 125±15 град., правом локтевом суставе - 120±13 град., что, соответственно, на 2,07% и 4,88% меньше, чем определенные для куртки в составе варианта 2 экипировки (р<0,05).
Таким образом, экспериментально показано, что использование заявляемого способа позволяет оценить эргономические свойства элемента БИЭВ и при этом не только установить факт его влияния на амплитуды движений в крупных суставах верхних конечностей, а именно их ограничения в плечевых суставах, но и с высокой точностью и достоверностью определить количественные значения ограничения амплитуд движений для каждого конкретного элемента БИЭВ и тяжелого и громоздкого модуля защиты.
Пример 2. Реализация заявляемого способа при оценке влияния элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в крупных суставах нижних конечностей.
В ходе экспериментов оценивали эргономические свойства трех вариантов БИЭВ, приведенных в примере 1.
Эксперименты проводили с участием 10 здоровых добровольцев мужского пола в возрасте от 20 до 36 лет.
Для оценки влияния элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в суставах нижних конечностей, используя систему креплений, фиксировали 5 беспроводных биомеханических сенсоров «Траст-М» на сегментах тела:
- в области крестцового отдела позвоночника по задней срединной линии;
- на латеральной поверхности бедра в области верхней трети;
- на латеральной поверхности голени в области нижней трети.
Места расположения биомеханических сенсоров «Траст-М» и интерфейс программного обеспечения комплекса «Траст-М» приведены на фиг. 4.
Испытуемые в экипировке, эргономические свойства которой оценивают, осуществляли максимально возможные по амплитуде активные движения в тазобедренных и коленных суставах в следующем порядке:
1) 20 подъемов ноги вверх через сторону (отведений в тазобедренном суставе);
2) 20 подъемов ноги вверх (сгибаний в тазобедренном суставе);
3) 20 подъемов голени назад (сгибаний в коленном суставе);
Каждый испытуемый выполнял указанные движения в тазобедренных и коленных суставах нижних конечностей трехкратно с перерывом не менее 24 ч.
При реализации заявляемого способа по графику средних значений эпох амплитуд, путем определения максимума и минимума, определяли амплитуды активных движений в крупных суставах нижних конечностей как проекции трехмерных углов, зарегистрированных в пространстве при перемещении биомеханических сенсоров «Траст-М», закрепленных на указанных в примере сегментах тела, на сагиттальную и фронтальную плоскости.
Экспериментально установлено, что амплитуды активных движений в крупных суставах нижних конечностей незначительно зависят от веса и конструктивных особенностей элементов экипировки, эргономические свойства которых оценивали (таблица 2). Трусы из экипировки варианта 1 не оказывали влияния на амплитуды выполняемых активных движений в крупных суставах нижних конечностей и наблюдалась максимально допустимая свобода движений.
Брюки из экипировки варианта 2 (конструктивные их особенности) способствовали незначительному ограничению свободы движений в суставах нижних конечностей и в основном при отведении в тазобедренном суставе. Сгибание в тазобедренном суставе было возможно с амплитудой 81±10 град., отведение - 27±9 град., сгибание в коленном суставе - с амплитудой 120±10 град., что, соответственно, на 4,94%, 11,1% и 3,33% меньше, чем определенные для трусов в составе варианта 1 экипировки (р<0,05).
Добавление к брюкам в экипировке варианта 3 модуля защиты в виде БЖ общевойскового единого 6Б45 в основной комплектации способствовало дальнейшему ограничению свободы движений в суставах нижних конечностей. В результате воздействия указанного модуля защиты сгибание в тазобедренном суставе возможно с амплитудой 67±12 град., отведение - 21±10 град., что, соответственно, на 20,89% и 28,57% меньше, чем определенные для брюк в составе варианта 2 экипировки (р<0,05).
Ограничение свободы движений в суставах нижних конечностей вызывал и модуль защиты в виде КЗС, добавленный к брюкам в экипировке варианта 3. Существенное ограничение наблюдали при сгибании в коленном суставе. В результате воздействия КЗС сгибание в коленном суставе было возможно только с амплитудой 112±5 град., что на 7,14% меньше, чем определенные для брюк в составе варианта 2 экипировки (р<0,05).
Таким образом, экспериментально показано, что использование заявляемого способа позволяет оценить эргономические свойства элемента БИЭВ и при этом не только установить факт его влияния на амплитуды активных движений в крупных суставах нижних конечностей (их ограничения в тазобедренном суставе при сгибании и отведении), но и с высокой точностью и достоверностью определить количественные значения ограничения амплитуд движений для каждого конкретного элемента БИЭВ и тяжелого и громоздкого модуля защиты.
Пример 3. Реализация заявляемого способа при оценке влияния элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в позвоночнике.
В ходе экспериментов оценивали эргономические свойства таких же трех вариантов БИЭВ, как в примерах 1 и 2.
В экспериментах также участвовали 10 здоровых добровольцев мужского пола в возрасте от 20 до 36 лет.
Для оценки влияния элементов БИЭВ на амплитуды активных движений в позвоночнике, используя систему креплений, фиксировали 5 беспроводных биомеханических сенсоров «Траст-М» на сегментах тела:
- в области проекции теменной кости;
- в области проекции остистого отростка 7 позвонка шейного отдела позвоночника;
- на проекции нижних сегментов поясничного отдела позвоночника;
- в области крестцового отдела позвоночника по задней срединной линии.
Места расположения биомеханических сенсоров «Траст-М» и интерфейс программного обеспечения комплекса «Траст-М» приведены на фиг. 5.
Испытуемые в экипировке, эргономические свойства которой оценивают, осуществляли максимально возможные по амплитуде активные движения в поясничном и шейном отделах позвоночника в следующем порядке:
1) 20 наклонов головы максимально вперед-назад (сгибаний-разгибаний шейного отдела позвоночника);
2) 20 наклонов головы вправо-влево (латерофлексия в шейном отделе позвоночника);
3) 20 наклонов туловища максимально вперед-назад (сгибание-разгибание позвоночника);
4) 20 наклонов туловища вправо-влево (латерофлексия позвоночника при зафиксированном шейном отделе).
Каждый испытуемый выполнял указанные движения в поясничном и шейном отделах позвоночника трехкратно с перерывом не менее 24 ч.
При реализации заявляемого способа по графику средних значений эпох амплитуд, путем определения максимума и минимума, определяли амплитуды активных движений в поясничном и шейном отделах позвоночника как проекции трехмерных углов, зарегистрированных в пространстве при перемещении биомеханических сенсоров «Траст-М», закрепленных на указанных в примере сегментах тела, на сагиттальную и фронтальную плоскости.
Экспериментально установлено, что вес и конструктивные особенности элементов экипировки, эргономические свойства которых оценивали, незначительно влияли на амплитуды активных движений в поясничном и шейном отделах позвоночника (таблица 3). Майка из экипировки варианта 1 не оказывала влияния на амплитуды выполняемых активных движений, то есть наблюдалась максимально допустимая свобода активных движений в поясничном и шейном отделах позвоночника.
Конструктивные особенности куртки из экипировки варианта 2 вызывали ограничение свободы движений, причем более значимое в шейном отделе (при сгибании и разгибании) и в поясничном отделе (при разгибании) позвоночника.
Сгибание в шейном отделе позвоночника возможно с амплитудой 37±8 град., разгибание - 57±11 град., латерофлексия вправо в шейном отделе позвоночника - с амплитудой 42±5 град., латерофлексия влево - 42±3 град., сгибание в поясничном отделе позвоночника - с амплитудой 58±12 град., разгибание - с амплитудой 22±7 град., латерофлексия вправо в поясничном отделе позвоночника - с амплитудой 19±6 град., латерофлексия влево - 20±6 град., что, соответственно, на 8,10%, 5,26%, 2,56%, 3,78%, 3,45%, 9,09%, 6,49% и 6,81% меньше, чем определенные для майки в составе варианта 1 экипировки (р<0,05).
Добавление к куртке в экипировке варианта 3 модуля защиты в виде БЖ общевойскового единого 6Б45 в основной комплектации или в виде бронешлема 6Б47, способствовало дополнительному ограничению свободы движений во всех отделах позвоночника, но более значимое при латерофлексии влево в шейном отделе, а также при латерофлексии вправо в поясничном отделе.
В результате воздействия модуля защиты в виде БЖ общевойскового единого 6Б45 сгибание в шейном отделе позвоночника возможно с амплитудой 33±6 град., разгибание -51±9 град., латерофлексия вправо в шейном отделе позвоночника - с амплитудой 37±4 град., латерофлексия влево - 36±3 град., сгибание в поясничном отделе позвоночника - с амплитудой 50±8 град., разгибание - с амплитудой 19±6 град., латерофлексия вправо в поясничном отделе позвоночника - с амплитудой 16±4 град., латерофлексия влево - 17±4 град., что, соответственно, на 12,12%, 11,76%, 14,71%, 17,80%, 16,00%, 15,28%, 20,31% и 17,50% меньше, чем определенные для куртки в составе варианта 2 экипировки (р<0,05).
Воздействие оказывал и модуль защиты в виде бронешлема 6Б47, так как сгибание в шейном отделе позвоночника стало возможным с амплитудой 32±5 град., а разгибание - с амплитудой 49±6 град., латерофлексия вправо в шейном отделе позвоночника возможна с амплитудой 36±5 град., латерофлексия влево - 34±5 град., что, соответственно, на 15,62%, 16,33%, 17,36% и 21,50% меньше, чем определенные для куртки в составе варианта 2 экипировки (р<0,05).
Таким образом, экспериментально показано, что использование заявляемого способа позволяет оценить эргономические свойства элемента БИЭВ и при этом не только установить факт влияния элемента БИЭВ на амплитуды активных движений на таком сложном для проведения измерений участке как поясничный и шейный отделы позвоночника (их более значимого ограничения при латерофлексии влево в шейном отделе и латерофлексии вправо в поясничном отделе), но и с высокой точностью и достоверностью установить количественные значения ограничения амплитуды активных движений как для конкретного элемента БИЭВ, так и для тяжелых и громоздких модулей защиты в виде БЖ общевойскового единого 6Б45 и бронешлема 6Б47.
Таким образом, экспериментально показано, что использование заявляемого способа позволяет с высокой точностью и достоверностью оценить эргономические свойства различных элементов экипировки, а именно оценить их влияние на амплитуды активных движений не только в крупных суставах верхних и нижних конечностей, но и в поясничном и шейном отделах позвоночника, причем сделать это в условиях выполнения ациклических двигательных локомоций, разработанных для моделирования движений, выполняемых, как правило, военнослужащими в процессе военно-профессиональной деятельности, что свидетельствует о достижении цели изобретения.
Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию «новизна», так как впервые предложен способ оценки эргономических свойств элементов БИЭВ, предусматривающий оценку влияния элементов БИЭВ на подвижность позвоночника и объем движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей испытуемого при выполнении им ациклических двигательных локомоций, которые разработаны для моделирования движений военнослужащих в процессе военно-профессиональной деятельности, и использование при проведении измерений биомеханических сенсоров.
Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию «изобретательский уровень», так как в известных и доступных источниках информации, содержащих описания способов Оценки эргономических свойств одежды и оснащения, в том числе для военнослужащих, нет сведений, указывающих на возможность оценки влияния элементов БИЭВ на подвижность позвоночника и объем движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей в процессе осуществления ациклических двигательных локомоций и целесообразность использования при проведении измерений биомеханических сенсоров.
Соответствие заявляемого изобретения критерию «пригодность для промышленного применения» подтверждается результатами экспериментов, показавшими, что заявляемый способ при доступности комплекса «Траст-М» и биомеханических сенсоров «Траст-М» позволяет с высокой точностью и достоверностью установить количественные характеристики эргономических свойств элементов БИЭВ. Заявляемый способ может найти применение при оценке соответствия серийных образцов БИЭВ требованиям регламентирующих документов, а также при проектировании и создании новых конструкций элементов БИЭВ, эргономически более рациональных. Заявляемый способ может быть рекомендован к использованию для количественной оценки эргономических свойств элементов БИЭВ и включения их значений в ГОСТ РВ 52511 -2005.
Список литературы
1 Никитина Е.Ю. Гигиеническое исследование и обоснование конструкции зимней полевой одежды для военнослужащих-женщин. Дис. … канд. мед. наук. - СПб. 2005. - 131 с.
2. Бахтина Е.Ю. Разработка утепленной одежды с улучшенными эргономическими параметрами для женщин-военнослужащих. Дис. … канд. техн. наук. - СПб. 2000. - 155 с.
3. Сурженко Е.Я. Теоретические основы и методическое обеспечение эргономического проектирования специальной одежды. Дис. … докт. техн. наук. - СПб. 2001. - 416 с.
4. ГОСТ РВ 52511-2005. Боевая индивидуальная экипировка военнослужащих сухопутных войск. М.: Стандартинформ. 2006. - 13 с.
5. Борзиков В.В., Рукина Н.Н., Воробьева О.В., Кузнецов А.Н., Белова А.Н. Видеоанализ движений человека в клинической практике (обзор) / СТМ. 2015. - Т.7, №4, - С. 201-210.
6. Бобылев А.Н., Болотин Ю.В., Воронов А.В., Кручинин П.А.. О двух модификациях Метода наименьших квадратов в задаче восстановления утерянной информации системы видеоанализа по показаниям акселерометра. / Российский журнал биомеханики. 2012. - Т. 16, №1 (55): 89-101.
7. Скворцов Д.В. Диагностика двигательной патологии инструментальными методами: анализ походки, стабилометрия. - М.: Т.М. Андреева, 2007. - С. 55-59.
8. Лизунов Ю.В. Гигиеническая оценка и нормирование конструктивно-механических свойств военной одежды: Дис. … канд. мед. наук. - Л., 1986. - 203 с.
9. Лизунов Ю.В. Сравнительная биомеханическая характеристика движений в суставах в зависимости от размера носимой одежды / Ю.В. Лизунов, С.М. Кузнецов, М.П. Захарченко // Мат-лы 17-й науч. конф. проф.-препод. состава ВМедФ при КМИ. Куйбышев, 1984. - С. 63.
10. Лизунов Ю.В. Физиолого-гигиеническое исследование конструктивных свойств одежды / Ю.В. Лизунов // Экспресс-информация ЦНИИТЭИ легк. пром-ти. Сер. «Швейн. пром-ть». Отечеств, производств, опыт.1984. - №2. - С. 1-9.
11. Лизунов Ю.В. Эргономические аспекты в гигиенической оценке экипировки военнослужащих / Ю.В. Лизунов, И.В. Логинова, В.Н. Семенов // Мат-лы 22-й итоговой науч. конф. проф.-препод. состава ВМедФ при КМИ. - Куйбышев, 1989. - С. 159.
12 RU 2273453 С1, 10.04.2006.
13. Гамбурцев В.А. Гониометрия человеческого тела (динамическая соматометрия) - М.: Медицина, 1972. - С. 6-12, 14-26.
14. Регистрационное удостоверение на медицинское изделие ФСР 2010/08881. Комплекс для диагностики, лечения и реабилитации больных с двигательной патологией «Траст-М» по ТУ 9442-001-63704475-2010.
15. Бекмачев А. Компания Xsens - эксперт в области систем управления движением. / Компоненты и технологии. - 2013 - №4. - С. 32-36.
16. Датчики для измерения параметров движения на основе MEMS-технологии. Часть 1. Инерциальные датчики средней точности. / А. Тузов. // Электроника: наука, технология, бизнес. - №1, 2011.
17. Seel Т., Raisch J., Schauer Т. IMU-Based Joint Angle Measurement for Gait Analysis Control Systems Group (Fachgebiet Regelungssysteme), Technische UniversitSt Berlin, Berlin, Germany.
18. Systems and Control Theory Group, Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, Magdeburg, Germany.
19. McLean S.M., Cain S.M., McGinnis R.S., Davidson S.P. Quantifying field-based warfighter performance via a body-worn array of wireless inertial sensors, Cambridge, MA, USA.