Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние проблемы вертикальной устойчивости тела человекав спорте 12
1.1. Вертикальная и вестибулярная устойчивость 13
1.2. Анализ публикаций по вопросам устойчивости 17
1.3. Моделирование тела человека при стоянии 18
1.4. Показатели устойчивости тела человека при статическом и динамическом равновесии 23
1.5. Существующие способы оценки и тренировки вертикальной устойчивости 25
1.6. Аппаратные методики измерений вертикальной устойчивости человека 29
1.6.1. Неподвижные стабилосистемы 30
1.6.2. Подвижные измерительные платформы 33
1.7. Вращательная суставная жесткость опорно-двигательного аппарата...35
1.7.1. Нелинейная вращательная суставная жесткость 36
1.8. Количественные показатели стабилосигнала. Критерии устойчивости и их нормирование 39
1.9. Электрическая активность мышц при регуляции позы 45
1.10. Коррекционное и программное управление при сохранении равновесия 46
1.11. Особенности процесса тренировки устойчивости 47
ГЛАВА II. Методы и организация исследования 50
2.1. Методы исследования 50
2.2. Организация исследования 50
2.3. Обработка полученных данных 52
2.3.1. Стабилометрические показатели устойчивости и алгоритм расчетов 52
2.3.2. Электромиографический сигнал и алгоритм его обработки 56
2.4. Методика педагогического эксперимента «Способ количественной оценки качества вертикальной устойчивости» 60
ГЛАВА III. Биомеханическая методика исследования вертикальной устойчивости человека и аппаратные средства ее реализации 63
3.1. Способ исследования устойчивости человека, основанный на измерении вращательной суставной жесткости 63
3.2. Неподвижные стабилосистемы 71
3.2.1. Платформа для исследования опорных реакций 71
3.2.2. Автоматизированное измерительное устройство 79
3.3. Тренажерно-анализаторные устройства вертикальной устойчивости «Тариус» 80
3.3.1. Устройства «Тариус-Т» на базе неподвижных тензоплатф'орм...82
3.3.2. Устройства «Тариус-П» на базе подвижных измерительных платформ 83
3.3.3. Устройства «Тариус-К» на базе модифицированных малоподвижных измерительных платформ 89
ГЛАВА IV. Модельное определение и экспериментальная проверка показателя устойчивости. подбор оптимальных механических характеристик биомеханической модели 95
4.1. Априорное теоретическое определение механических параметров малоподвижной платформы 95
4.2. Временные показатели вертикальной устойчивости тела человека 100
4.3. Результаты экспериментов по определению оптимальных механических параметров платформы и их обсуждение 102
4.3.1. Результаты первой серии биомеханического эксперимента 103
4.3.2. Результаты второй серии биомеханического эксперимента 114
4.3.3. Результаты третьей серии биомеханического эксперимента 122
4.4. Наиболее значимые параметры стабилометрического сигнала и их нормирование 132
ГЛАВА V. Решение педагогических задач, связанных с оценкой качества вертикальной устойчивости человека в спорте 135
5.1. Результаты и их обсуждение педагогического эксперимента №1 (высококвалифицированные гимнасты) 135
5.2. Результаты и их обсуждение педагогического эксперимента №2 (юные гимнасты) 146
5.3. Результаты и их обсуждение педагогического эксперимента №3 (высококвалифицированные фигуристы) 152
5.4. Результаты и их обсуждение педагогического эксперимента №4 (высококвалифицированные прыгуны в воду) 157
5.5. Результаты и их обсуждение педагогического эксперимента №5 (мастера синхронного плавания) 172
5.6. Результаты и обсуждение педагогического эксперимента №6 (профотбор и клинические исследования) 179
5.7. Внедрение результатов исследования в практику труда и спорта... 181
Выводы 187
Практические рекомендации 191
Список использованной литературы 192
Приложение 208
- Анализ публикаций по вопросам устойчивости
- Стабилометрические показатели устойчивости и алгоритм расчетов
- Неподвижные стабилосистемы
- Временные показатели вертикальной устойчивости тела человека
Введение к работе
Актуальность исследований. Повышение эффективности обучения и тренировки в спорте в эпоху острой конкуренции во многом зависит от внедрения новых технологий и инноваций (В.Н. Курысь, 2004; Г.И. Попов, 2005; И.М. Козлов, 2005; Н.Б. Кичайкина, ЯК. Коблев, И.М. Козлов, А.В. Самсонова, 2000; И.П. Ратов, 1995; В.К. Бальсевич, 2000; Ю.Т. Черкесов, 1990-2004; И.Б. Козловская, 2007).
Разработка новых технологий в области биомеханики устойчивости человека тормозится по причине отсутствия единого научного представления о сохранении вертикальной позы. Устойчивость - один из основополагающих механизмов двигательной системы, но до сих пор нет общепринятого показателя качества устойчивости (B.C. Гурфинкель, 1965; Д.Д. Донской, В.М. За-циорский, 1979; Г.Ц. Агаян, 1967; Е.А. Лукунина, А.А. Шалманов, 2000).
Наибольшее число публикаций по проблеме вертикальной устойчивости в научной и спортивной литературе приходится на расцвет компьютерных технологий и имеет пик в 90-е годы. В настоящий момент интерес к регуляции позы проявляют в основном травматологи и ортопеды, работники детских реабилитационных центров (Д.В.Скворцов, 2000), но не специалисты в области спорта.
Актуальность данного исследования вызвана острой необходимостью получения новых знаний о вертикальной устойчивости живой системы, что осложняется отсутствием научной концепции и соответствующей аппаратуры.
Новизна исследования в том, что найден подход к определению суставной жесткости опорно-двигательного аппарата человека (И.М. Козлов, 1984; А.С. Аруин, 1984; Г.П. Иванова, 1991), знание жесткости при вращении является ^ обязательным условием' модельного И' экспериментального' изучения процесса поддержания ортоградной стойки.
Существует потребность в интегральном количественном показателе качества устойчивости, но при этом не обоснован и не разработан способ исследования вертикальной устойчивости, как важнейшее условие определения этого параметра.
Возникла необходимость поиска биомеханических закономерностей формирования и развития механизма устойчивости человека и количественного контроля устойчивости, а это невозможно осуществить без создания комплексной биомеханической аппаратурной методики исследования вертикальной позы. Есть потребность в научном обосновании требований к техническим средствам для разработки технологии определения качества устойчивости.
На сегодня отсутствуют научно-обоснованные подходы к разрешению противоречий между потребностью и существующим уровнем развития науки. Возникла насущная необходимость расширения научных знаний и новых методик изучения биомеханизма устойчивости в различных областях деятельности человека: труде, спорте, искусстве, космонавтике, робототехнике, педагогике физического воспитания подрастающего поколения.
Об активной позиции автора к проблеме биомеханики вертикальной устойчивости свидетельствуют его публикации с 1982 по 2007 годы по вопросам биомеханики, метрологии и эргономики двигательной деятельности человека.
Научную и изобретательскую деятельность автора раскрывают полученные авторское свидетельство, патенты и рацпредложения непосредственно по способу оценки качества устойчивости человека на малоподвижной опоре и конструкции стабилометрических комплексов.
Данная работа посвящена разрешению вышеуказанных противоречий, в ней ставится научная задача, связанная с получением новых знаний в области биомеханики устойчивости тела человека, на базе которых проводится научное обоснование разработанного комплекса средств оценки качества устойчивости в различных видах деятельности и физических упражнениях.
Работа выполнена в рамках тем НИР РОССПОРТА по направлению 02.02.00.
Объект исследования— вертикальная устойчивость тела человека в физических упражнениях.
Предмет исследования - биомеханика сохранения вертикальной устойчивости тела человека в разных позах и в условиях малых колебаний опорной поверхности (до 2-х градусов).
Гипотеза. Предполагается, что для получения новых научных данных по проблеме биомеханики вертикальной устойчивости тела человека и по вопросам методики физического воспитания и спорта необходимо предварительное решение некоторых научных задач:
важно определить характер процесса удержания равновесия и значимость суставной жесткости опорно-двигательного аппарата (ОДА) в сохранении вертикальной устойчивости тела;
нужна разработка и создание инструментальной методики, позволяющей построить биомеханическую модель для изучения работы голеностопного сустава;
при условии получения критерия оценки качества устойчивости и нормированного показателя ее, которые необходимы для выбора параметров подвижности измерительной системы.
Возможно, что разработанные теоретические положения и созданное техническое средство окажутся применимыми в педагогическом эксперименте, в результате чего подтвердится правомерность использования суставной жесткости и количественного показателя устойчивости для оценки качества регуляции вертикальной стойки, а тренажерно-анализаторное устройство «Тариус» будет эффективным средством контроля и оценки устойчивости в решении различных задач спорта.
Теоретической основой исследования явились:
концепция о многоуровневом управлении вертикальной позой человеком (Н.А. Бернштейн, 1991; B.C. Гурфинкель, ЯМ. Коц, М.Л. Шик, 1965; В.Б. Коренберг, 1987);
идеи и научные подходы к биомеханизму устойчивости человека в спорте (Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, 1979; Е.А. Лукунина, А.А. Шалманов, 2000; Г.Ц. Агаян, 1967);
концепция о качественном анализе упражнений (В.Б. Коренберг, 1979);
«теория искусственной управляющей среды» (И.П. Ратов, 1995; Ю.Т. Черкесов, 1999; Н. Hatze, 1976);
эргономический подход к двигательной деятельности (В.М. Мунипов, 1983; А.С. Аруин, В.М. Зациорский, 1989; Г.П. Иванова, 2005).
Целью исследования явилось получение новых научных данных по вопросу вертикальной устойчивости тела человека, необходимых для разработки биомеханической методики контроля и оценки качества устойчивости тела в физических упражнениях, которую можно использовать при решении как теоретических, так и практических задач спорта.
Задачи исследования
На основе анализа существующих теорий сохранения вертикальной устойчивости тела и механо-математического моделирования изучить особенности процесса удержания равновесия как квазистатического колебательного типа и определить его количественные показатели.
Обосновать и разработать способ'определения количественных показателей качества вертикальной' устойчивости и создать биомеханическую методику оценки равновесия с использованием технических средств.
Разработать педагогическую методику оценки качества вертикальной устойчивости человека и доказать эффективность применения ее при выполнении двигательных действий.
Научная новизна
Впервые предложено оценивать «качество устойчивости и развивать его тренировкой на малоподвижной платформе с оптимальными механическими параметрами, адекватными жесткости опорно-двигательного аппарата человека.
Предложен новый способ изучения механизма устойчивости, основанный на определении вращательной жесткости голеностопного сустава.
Впервые предложен способ оценки качества равновесия по эмпирическому показателю устойчивости — У.
Экспериментально доказана связь показателя устойчивости! человека с оптимизацией, а не минимизацией амплитудных характеристик равновесия и построена нормированная шкала оценок качества устойчивости.
Впервые показана приоритетность использования малоподвижной платформы в обучении и тренировке вертикальной устойчивости спортсменов, что подтверждено регрессионными зависимостями соревновательного результата и показателя устойчивости.
Теоретическая* значимость проведенного исследования- состоит в получении новых данных по теории биомеханики вертикальной устойчивости:
основная биомеханическая характеристика управления устойчивостью вертикального положения - вращательная суставная* жесткость голеностопного сустава, обоснованная и рассчитанная методом механо-математического моделирования и равная в среднем 180 Нм/рад;
представление о механизме сохранения вертикальной позы - квазистатического колебательного процесса, качество которого определяется не минимизацией амплитудных характеристик колебаний, а оптимизацией динамических параметров движения;
отличие биомеханизма сохранения.ортоградной стойки от механизма вестибулярного равновесия, которое заключается в различии зон функционирования этих механизмов и принципиально противоположных требованиях к сенсорным системам;
результаты исследования вертикальной устойчивости человека дополняют разделы курсов биомеханики и теории физического воспитания и спорта;
научное обоснование способа и разработка комплекса технических средств расширяют возможности эргономического и метрологического подходов к контролю и оценке устойчивости спортсменов и людей других профессий, где требуется высокое чувство равновесия.
Практическая значимость
Даны рекомендации по количественной оценке качества вертикальной устойчивости тела человека, что важно для диагностики, обучения и совершенствования механизма равновесия.
Разработанный комплекс «Тариус» применен для контроля* устойчивости в ряде видов двигательной деятельности человека:
- для оценки и развития механизма вертикального равновесия детей-
дошкольников, занимающихся фигурным катанием, гимнастикой и тен
нисом, больных с дефектами в развитии двигательного аппарата;
для спортсменов любой-квалификации и вида деятельности, работающих над совершенствованием сенсомоторной системы;
для оценки координационной готовности к экстремальной профессиональной деятельности: водителей транспорта, операторов* на атомных станциях, авиадиспетчеров, высотников, спортсменов в прыжковых и игровых видах спорта, акробатике и тому подобных.
3. Результаты исследования внедрены (подтверждено актами внедрения):
в учебный процесс (курсы, биомеханики, спортивной метрологии);
в практику массового спорта (ЛОС ДСО «Динамо», ЦС «Динамо»);
в сборные команды страны по синхронному плаванию и прыжкам в воду.
Основные положения, выносимые на защиту
Положение о характере процесса удержания позы, который является квазистатическим колебательного типа и должен изучаться как динамический на малоподвижной опоре. Bi этомхлучае качество устойчивости зависит от минимизации- скорости отклонения тела от вертикали, а не минимизации амплитуды колебаний, что ограничивает естественную, оптимальную для каждого человека, колебательность. t
Представление о суставной жесткости и возможности изучения ее на биомеханической модели малоподвижной опоры как механического аналога подвижности голеностопного сустава; жесткость которого нелинейна и экспериментально определена в виде зависимости времени условного равновесия (t) и восстанавливающего момента (Мв) измерительной платформы:
t = 6,lln(eMB).
3. Сущность требований» к аппаратурному комплексу контроля и оценки
устойчивости человека, позволяющему:
достоверно измерять характеристики колебательности тела;
объективно оценивать качество вертикальной устойчивости;
соответствовать требованиям комфортного состояния при управлении позой путем подбора оптимальных параметров платформы;
4. Показатель устойчивости, пропорциональный времени условного рав
новесия, нормированный в зависимости от индивидуальных особенностей
человека и характеристик платформы, отражающий:
качество вертикальной устойчивости человека в различных условиях;
воздействие тренировочного-процесса на устойчивость;
степень функционального напряжения;
готовности спортсмена к соревнованию;
5. Результаты педэксперимента, доказывающие пригодность использова
ния комплекса «Тариус» как эффективного средства контроля и оценки ка
чества вертикальной устойчивости и способа, развития» ее у детей и взрос
лых, у спортсменов различных видов спорта и уровня мастерства.
Достоверность результатов исследования подтверждена патентной экспертизой и метрологическим контролем использованной для эксперимен-тов^ аппаратуры, а также объемом' проведенных экспериментов и их проверкой на статистическую значимость результатов.
Личный вклад автора состоит в обосновании запатентованного способа контроля и оценки устойчивости человека и разработке комплекса ста-билометрической аппаратуры, а также в личном участии автора в проводимых обследованиях членов сборных команд страны по прыжкам в воду, синхронному плаванию, теннису в подготовительный период и на соревнованиях, в обработке результатов и публикации более 20 статей, авторского изобретения, четырех патентов и четырех учебно-методических пособий для студентов.и*аспирантов ВУЗов страны.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения, в списке литературы содержится 147 источников.
Диссертация изложена на-212 страницах компьютерной верстки, включает 46 таблиц и 47 рисунков.
Анализ публикаций по вопросам устойчивости
Высокая информативность методик по изучению вертикальной и вестибулярной устойчивости человека отмечается всеми исследователями, но из-за сложности аппаратуры, трудоемкости обработки информации и неоднозначности практических рекомендаций применяют ее далеко не все. Проблема устойчивости человека изучалась традиционно физиологами, биологами, медиками. В 1969 году было основано Международное общество постурологии (posture - в переводе с англ. - поза, положение), которое насчитывает более 200 ученых со всего мира [113]. Интерес к проблеме устойчивости постоянно растет в связи с ростом активности нашей жизни: развитие авиации и освоение космоса, решение сложнейших задач кибернетики, бионики, робототехники. Особое значение эта проблема приобретает в области спорта, который характеризуется постоянным ростом быстроты и сложности программ. В указанном аспекте нельзя обойти и важнейшую социальную проблему, связанную с совершенствованием умения владеть своим телом, что является неотъемлемой частью общей координационной культуры людей.
Общие тенденции, наметившиеся в любой науке, связаны с усложнением аппаратурных решений и обилии информации, что не отвечает требованию их доступности. Наука, в частности спортивная, все более отдаляется от нужд практики как территориально, концентрируясь в научных лабораториях в руках высококвалифицированных специалистов, так, зачастую, и по задачам.
Динамика популярности, публикаций, как показал проведенный нами анализ,- связана с созданием новой аппаратуры, компьютеризацией процессов обработки данных, с появлением новых направлений или научных школ. Анализировалось количество статей по проблемам вертикальной и вестибулярной устойчивости в массовом научно-популярном журнале "Теория и практика физической культуры" (рис. 1.1) и в сборнике статей конгрессовпо биомеханике (рис. 1.2).
Многие авторы [113, 115] отмечают, начиная с 90-х годов, рост популярности стабилографических методов исследований и связывают это с уровнем развития современных компьютерных технологий. В публикуемых подробных обзорах, в частности С.С. Сливы [115], приводится много полезной рекламно-коммерческой информации об уровне развития стабилографии, но, к сожалению, в них отсутствует научный анализ, как методологии исследований, так и способов измерения. Из этого следует особая актуальность научных исследований в области устойчивости тела спортсмена.
Динамика количества публикаций в сборнике статей биомеханических конгрессов по годам том числе возмущений, которые обусловлены физиологическими процессами в самом организме (кровоток, перистальтические волны, дыхание и тому подобными). Регуляция позы является функцией очень большого числа переменных - практически всех суставов скелета. Если бы организм не был "хорошо организованной функцией" (И.К. Анохин, 1962), то эта гипотеза бы не была правдоподобной, так как при наличии такой многозвенности даже многоуровневая управляющая система, по-видимому, не могла бы справиться с коррекцией позы. Существует большое количество крайне сложных моделей, которые, к сожалению, описывают интересующий нас процесс достаточно условно. В данном исследовании моделируется механизм регуляции вертикальной позы тела человека как единой целостной системы управления устойчивостью. При выборе наиболее адекватной и простой механо-математичес-кой модели процесса удержания равновесия, прежде всего, учитывались физиологические особенности регуляции вертикальной позы человеком.
Наиболее распространенными механическими моделями двигательного аппарата человека при поддержании равновесия являются перевернутый маятник или цепи перевернутых маятников, расположенных один над другим и последовательно связанных между собой [6, 7]. М.А. Алексеев и Б.Н. Сметанин отмечают, что зоны ограниченной устойчивости и собственные периоды колебаний таких систем при прочих равных условиях зависят от жесткости их связей с опорой, а в случае ортостатизма - от жесткости мышц ног и туловища. Однако в отличие от технических перевернутых маятников, колебания которых осуществляются вследствие упругой деформации этих связей и жесткость-которых прямо связана с их растяжением, жесткость, мышц в своей основе переменна: При-детальном изучении функционирования различных моделей и анализа их физических свойств и характера влияния физиологических процессов авторы пришли к простейшей одно-звенной модели перевернутого маятника [7].
Стабилометрические показатели устойчивости и алгоритм расчетов
Информация, получаемая в ходе эксперимента, в соответствии с классическим определением стабилограммы, как кривой перемещения проекции ОЦТ в плоскости опоры, может быть отображена годографом (рис. 2.1). Такое изображение процесса регуляции вертикальной позы достаточно наглядно, но для получения числовых параметров устойчивости используют традиционные временные характеристики этого процесса в двух взаимно перпендикулярных плоскостях X (фронтальная) и Y (сагиттальная) (рис. 2.1). Количественными характеристиками стабилограмм, которые отображают процессы колебательного типа, являются спектр частот и спектр амплитуд. Традиционно в стабилометрических кривых рассчитывают амплитуду колебаний, длину линии и площадь под кривой стабилограммы. Определение амплитудных и интегральных (пропорциональных площади под кривой) характеристик не вызывает сложности. Но эти характеристики (раздел 1.8), как было показано, мало информативны, так как не отвечают за решение целевой двигательной задачи человека. Площадь под кривой идентична затратам энергии не на движение ОЦТ по траектории, а работу, затрачиваемую на возвращение в исходное положение ОЦТ из каждой точки траектории. Годографы и стабилограммы в ортоградной стойке при постоянном моменте Мв - const = 2,0 (Нм) физической сути количественной характеристикой процесса удержания равновесия, по нашему мнению, является длина линии стабилограммы, которая отражает работу живой системы по перемещению ОЦТ. Стандартный алгоритм определения длины линии в данном случае необходимо трансформиро-- вать под конкретную задачу (рис. 2.2). Процедура расчетов приводится ниже. Фрагмент составляющей стабилограммы 1. Для фрагмента записи длительностью dto длина "нулевой" линии составляет dl0, а общая длина кривой записи - dl . Тогда составляющая перемещения OUT - dl определяется: dl = VH4dl0)2 2. В пределах некоторого допущения о "медленной" временной функции стабилограммы для всего интервала времени анализа (Т) длина "нулевой" линии записи составляет 10, а длина составляющей стабилограммы соответственно: 3. С учетом стандартной декартовой системы координат (XY), в которой происходит перемещение проекции ОЦТ, общая длина стабилограммы рассчитывается: 4. Длина линии стабилограммы (L) определяется приведенной к единице времени и с учетом тарировочного коэффициента (KL), вычисляемого экспериментально для данного комплекта аппаратуры. Окончательно, длина стабилограммы рассчитывается следующим образом: 2+1 2-21 К, 5. При изучении частотных свойств стабилометрического сигнала весь частотный диапазон в соответствии с общепринятой методикой подразделя ют на низкочастотную (индекс - "нч"), среднечастотную (индекс - "ср") и вы сокочастотную (индекс - "вч") составляющие. При этом с некоторым допу щением для стохастического сигнала, к которому близка стабилограмма, можно использовать соотношение: L=V(L«4)2+КЇ+тУ 6. При анализе стабилограмм с контролем положения тела (угол накло на платформы ограничен) величина низкочастотной составляющей становит ся незначительной и ее можно пренебречь при расчетах, тогда:
Амплитудные характеристики определялись стандартной- процедурой расчета среднего арифметического мгновенных значений, при этом R — амплитуда результирующего стабилометрического сигнала определяется следующим образом: R = Vx2+Y2, где X - средняя амплитуда Х-ой составляющей стабилограмы; Y - средняя амплитуда Y-ой составляющей стабилограмы. Площадь под кривой стабилограммы (s) определяется также стандартной процедурой расчета. Приведенное значение площади под кривой стабилограммы к единице времени (S) и с учетом тарировочного коэффициента выглядит следующим образом: где S - приведенное значение площади под кривой стабилограммы; s - площадь под кривой стабилограммы; Ks - тарировочный коэффициент; Т - полное время анализа. Примечание. В случае использования специализированного аналого-вычислительного комплекса (АВК) «Plurimat - S» приведенные параметры длины линии и площади под кривой стабилограммы технически удобнее отнести не к единице времени, а к одной ячейке выбранного блока памяти (либо 512, либо 1024). Это никак не мешает сравнительному анализу данных, обрабатываемых идентичным способом. Для получения абсолютных значений этих характеристик использовался экспериментально определенный та-рировочный коэффициент. В заключение необходимо отметить, что минимизация любого из указанных параметров стабилограммы не является оптимальной при оценке качества регуляции позы. Оптимальность параметров следует определять либо по качеству выполнения целевой задачи (в данном случае по максимуму времени условного равновесия за назначенное время), либо в соответствии с определением оптимальности, предложенным Г.Ц. Агаяном и связанным с минимизацией величины стандартного отклонения амплитуды колебаний ОЦТ (путем выделения существенных переменных) [4]. Расчеты стандартного отклонения амплитуды колебаний ОЦТ в данной работе не проводились.
В нашем исследовании количественными показателями качества регуляции вертикальной позы человека (его оптимальности) служат временные параметры условно равновесного состояния. Изучаемая интегральная вращательная суставная жесткость ОДА в принятой нами модели (раздел 1.3), как показывает априорный биомеханический анализ, определяется в основном режимом работы передних боль-шеберцовых и икроножных мышц обеих ног. Функциональный блок из указанных 4-х мышц-антагонистов рассматривается в данном исследовании (раздел 1.9). Существующие пакеты прикладных программ для оценки основных параметров ЭМГ, к сожалению, не позволяют четко интерпретировать периоды интенсивной активности и полного электрического молчания. Поскольку все общепринятые числовые показатели электрической активности мышц определяются именно этими периодами, возникла необходимость сформировать представление о том, что необходимо принимать при составлении программы обработки ЭМГ сигналов и понимать под термином "электрический покой" или "молчание мышцы".
Наиболее наглядным, позволяющим исключить артефакты любой природы, полностью адекватный представлениям о сигналах электрической активности мышц является крайне трудоемкий метод ручной обработки данных. Для полной автоматизации при сохранении всех достоинств ручного метода, вплоть до возможности сравнения абсолютных значений показателей ЭМГ-исследований независимо от способа их анализа, был предложен оригинальный алгоритм обработки сигналов и написана соответствующая программа для специализированного АВК «Plurimat - S» на языке «Basic +», которые были опубликованы в сборнике научных трудов ВНИИТЭ [69] и использованы при выполнении хоздоговорных НИР.
При ручной обработке данных электрической активности за уровень покоя при ходьбе и беге принята фоновая активность мышцы, не превышающая 20% от средней максимальной амплитуды осцилляции за период ее работы [104, 114]. Это допущение положено в основу программы обработки ЭМГ-сигнала на АВК. Введение этого условия дало возможность рассчитывать на машине абсолютное время работы и время "молчания мышцы" в течение анализа, количество всплесков мышечной активности, соотношение работы и отдыха мышцы, то есть ритм мышечной активности, как процентное выражение времени работы мышцы за период анализа.
Расчету на АВК временных показателей ЭМГ предшествовал ряд преобразований исходного сигнала по аналогии с ручной обработкой для выделения огибающей и ее последующего сглаживания при помощи фильтров Выбор фильтра зависел от динамики процесса, отраженного в ЭМГ. Чем ярче динамика, чем выше концентрация электрической активности, тем более высокочастотным фильтром следует сглаживать огибающую, чтобы не потерять информацию об отдельных пачках электрической активности мышцы.
Неподвижные стабилосистемы
Несмотря на разработку нового способа исследования устойчивости тела человека с использованием малоподвижных платформ, традиционные неподвижные измерительные комплексы позволяют измерять показатели вертикальной устойчивости тела человека в привычных естественных условиях. Кроме того, существует необходимость сравнить показатели устойчивости на малоподвижной опоре со стандартными характеристиками равновесия. Поэтому разработка, создание и усовершенствование стабилометриче-ских комплексов на базе неподвижных тензстабилоплатформ является задачей важной и актуальной. В результате детального изучения реально существующих аппаратных методов измерения устойчивости и проведения патентного поиска нами была разработана усовершенствованная конструкция и изготовлен рабочий экземпляр неподвижной стабилоплатформы, который защищен патентом РФ [100].
В запатентованной нами "платформе для исследования опорных реакций" [100] устраняются недостатки, указанные в разделе 1.5.1, путем введения в конструкцию оригинального элемента — центральной опоры. Предлагаемая конструкция устройства изображена на рисунке 3.4, где: 1- нижняя пластина; 2- верхняя пластина; 31.4- силоизмерительные элементы в виде колец; 4- центральная опора в виде силоизмерительного кольца; 51-9- крепежные винты; 6- опорный шарик. Платформа состоит из недеформируемых нижней (1) и верхней (2) пластин. По осям, проходящим через середины противоположных сторон платформы, расположены силоизмерительные элементы (3) в виде колец, к которым притягиваются винтами (51.9) нижняя» (1) и верхняя (2) пластины. В геометрическом, центре пластин устанавливают центральную опору (4) в виде силоизмерительного кольца, аналогичного четырем периферийным (3). Центральный силоизмерительный элемент (кольцо) также жестко крепится винтом (5i_9) к нижней пластине (1). Диаметрально противоположно нижнему резьбовому отверстию на наружной поверхности центрального кольца делают лунку, в которую помещают опорный стальной шарик (6). Верхняя пластина (2) в геометрическом центре с внутренней стороны имеет аналогичную лунку под шарик (6). Глубину лунок и диаметр шарика (6) выбирают из условия, чтобы после стягивания винтами (5i_9) обеих пластин на всех периферийных кольцах возникали деформирующие усилия, векторы которых имеют одинаковое направление, противоположное вектору усилия центрального кольца. Рис. 3.4. Конструкция запатентованной платформы для исследования опорных реакций Все сил измерительные элементы (3, 4) изготавливают из пружинной стали, что обеспечивает высокую линейность в диапазоне допустимых нагрузок. Сил измерительные элементы (3, 4) оснащены датчиками деформации, в частности, возможно использование проволочных тензорезисторов по два на элемент (один - на наружной, другой - на внутренней поверхности каждого кольца). Датчики противоположно расположенных силоизмерительных элементов (3) объединены в две мостовые измерительные схемы для фронтальной и сагиттальной осей. Причем, датчики каждой мостовой схемы соединены так, чтобы измерять не суммарное усилие на силоизмерительные элементы (3), а дифференциальное значение разности усилий на них, что вызвано отклонениями мгновенного положения проекции общего центра тяжести (ОЦТ) испытуемого в плоскости платформы. На внутренней и наружной поверхностях всех пяти колец дополнительно наклеивают датчики деформации, которые соединяют в общую мостовую схему для измерения суммарной деформации последних, что соответствует величине нормальной составляющей опорной реакции.
На рисунке 3.5 представлен внешний вид опытного образца платформы. Устройство работает следующим образом. Перед началом измерений датчики деформации подключают к усилительному устройству и блоку обработки информации. Испытуемый встает на платформу так, чтобы геометрический центр пластин (1,2) находился между стоп, а фронтальная и сагиттальная оси установки совпадали с переднезадней и боковой осями тела человека. Человек, располагающийся на платформе, постоянно совершает микро и макро колебания, при этом, очевидно, что сила давления на периферические кольца изменяется в зависимости от того, в какую сторону и на какое расстояние от центра сместилось мгновенное положение проекции точки приложения опорного усилия в плоскости платформы. При этом верхняя пластина (2) как бы "качается" на центральной опоре (4) за счет микро деформаций силоизмерительных колец (3). Данное устройство позволяет при Рис. 3.5. Внешний вид опытного образца платформы для исследования опорных реакций (с центральной шаровой опорой) исследовании опорных реакций определить две характеристики: мгновенное значение силы опорной реакции (динамометрические измерения) и координаты мгновенного положения проекции точки приложения результирующей этой силы в плоскости платформы (стабилометрический сигнал).
Величина мгновенного значения силы опорной реакции оценивается благодаря тому, что в конструкцию в качестве центральной опоры (4) введен силоизмерительный элемент. При внешнем воздействии на верхнюю пластину (2) со стороны испытуемого, который на ней располагается, все пять сило измерительных колец деформируются. Суммарный сигнал от датчиков всех пяти колец соответствует величине мгновенного опорного усилия. При неподвижном, то есть статическом положении испытуемого, сила опорной реакции равна его весу. В динамике, при выполнении каких-либо движений (упражнений) на месте, например, приседаний, наклонов корпуса или головы, махов конечностями, величина мгновенного значения силы опорной реакции (сила давления на платформу) будет меняться. Таким образом, предлагаемая конструкция выполняет функцию тензодинамометрической платформы.
Координаты мгновенного положения проекции точки приложения результирующей силы реакции опоры (стабилометрический сигнал) измеряются за счет того, что противоположно расположенные периферийные кольца (3) и центральный силоизмерительный элемент (4) образуют равноплечный - рычаг первого рода. При дифференциальном включении датчиков, противоположно расположенных периферийных колец (3), сигналы с выходов мостовых схем соответствуют величине разностного сигнала, который равен моменту силы реакции опоры относительно центральной опоры (точки отсчета) площадки. В статическом положении сила реакция опоры равна весу испытуемого, поэтому измеряемый платформой момент силы пропорционален по величине стабилосигналу. Коэффициент пропорциональности в статическом режиме, вводимый в блок обработки информации, неизменен и корректируется только для каждого нового испытуемого.
В динамике, при выполнении движений на месте, установка позволяет определить координаты мгновенного положения проекции результирующей силы и оценить, так называемый, запас устойчивости равновесия, например, при приседаниях в различном темпе или наклонах корпуса. В результате можно измерить текущие координаты проекции результирующего вектора реакции опоры в абсолютных значениях с учетом соответствующей величины мгновенного значения силы реакции опоры, которая в динамическом режиме не является величиной постоянной.
Временные показатели вертикальной устойчивости тела человека
В соответствии с концепцией данного исследования предлагается использовать для оценки и тренировки вертикальной устойчивости человека комплексы «Тариус» на базе малоподвижных платформ. Параметрами условного равновесия, как отмечалось ранее, являются два показателя: время условного равновесия -1 (в секундах) и количество коррекций позы - п (разы), измеряемые в пределах назначенного временного интервала анализа (Т). Очевидно, что для проведения сравнительного анализа и поиска оптимальных параметров конструкции малоподвижной платформы необходимо иметь числовые характеристики, инвариантные от неконтролируемых показателей, и фиксируемых на различных значениях в ходе поискового эксперимента. Поэтому помимо двух измеряемых показателей равновесия (времени и количества коррекций позы), вводятся еще три расчетных независимых параметра. 1. Механические условия удержания равновесия в соответствии с при нятой ранее моделью перевернутого маятника заключаются в создании ра венства моментов опрокидывающего (Мо) и восстанавливающего (Мв). Оче видно, что величина опрокидывающего момента (М0) пропорциональна весу испытуемого. Поэтому для создания стандартных условий теста для людей с различным весом тела предлагается использовать адаптированный показа тель времени условного равновесия (тад) в соответствии с зависимостью: Р -у— . г норм где 1ад - адаптированное время равновесия (с); t - измеренное время условного равновесия (с); Р - вес испытуемого (кГ); Рнорм = 100 кГ - вес нормированного человека, равный 100 (кГ). 2. Как показывает анализ физиологических процессов удержания рав новесия, информативной характеристикой является время, приведенное к од ному колебанию, или время одной коррекции позы, которое определяется: ад = Р t П Рнорм П где taa - адаптированное время равновесия (с); п - число коррекций позы (раз); t - измеренное время условного равновесия (с); Р - вес испытуемого (кГ). 3. Для проведения сравнительного анализа и поиска оптимальных механических параметров конструкции малоподвижной модифицированной платформы необходимо иметь количественный показатель, позволяющий сопоставлять результаты тестирования испытуемых с различным весом тела (Р) на платформах с различной вращательной жесткостью (Сш) и переменными углами наклона верхней пластины (а), не зависимо от общего времени анализа (Т).
В данном исследовании использовалось таймерное устройство с фиксированным временем анализа Т, условно равным 1, нормированные значения угла анорм и жесткости Снорм приняты равными 1, нормированный вес испытуемого Рнорм условно принят равным 100 кГ, поэтому численно Ку = 0,01.
Переменная составляющая в выражении для параметра устойчивости У зависит от конструктивных особенностей измерительной установки, веса и показанного испытуемым результата тестирования. В результате априорного теоретического анализа были определены ориентировочные оптимальные механические параметры модифицированной малоподвижной платформы и был изготовлен опытный экземпляр тре-нажерно-анализаторного комплекса «Тариус-К», с помощью которого в ходе экспериментов детально исследовалась правомочность и достоверность выявленных механических параметров, а при необходимости выполнялась их коррекция. Было проведено 3 серий экспериментов, включающих 5 обследований, в них приняло участие 28 здоровых испытуемых. ? Первая, установочная серия обследований из двух тестов включала минимальный комплект аппаратуры и была направлена на предварительное определение механических параметров малоподвижной платформы. ? Во второй, усложненной серии экспериментов, с помощью тензостаби-лометрической аппаратуры устанавливалась связь общепринятых стандартных параметров вертикальной устойчивости тела человека- с механическими характеристиками подвижной платформы. ? Третья, комплексная серия тестов, включала дополнительно изучение физиологических механизмов регуляции позы человека по показателям ЭМГ и определение механических параметров малоподвижной платформы с учетом биологических особенностей системы управления вертикальной устойчивостью. Участниками экспериментов были люди различного возраста, пола, веса, роста, физической подготовки. Они выполняли следующие установки: 1. Удержание равновесия в стойке на полной стопе; 2. Удержание равновесия в стойке на носках; 3. Управление позой со зрительным контролем по индикатору положения тела; 4. Управление позой без зрительного контроля по индикатору.
