Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ опорно-двигательного аппарата человека 9
1.1. Топография тела человека и опорно-двигательного аппарата 9
1.2. Скелетные мышцы 15
1.3. Опорно-двигательный аппарат как управляемая механическая система. 21
1.4. Морфометрия мышц 28
1.5. Модель мышечной ткани 30
2. Математическая модель верхней конечности 35
2.1. Анатомический анализ движений верхней конечности 36
2.2. Верхняя конечность как объект исследования 39
2.3. Динамика движения системы «тренажер-рука» 44
2.4. Сплайн-представление ядер релаксации 49
2.5. Уравнения идентификации 51
2.6. Минимизация среднеквадратических отклонений 55
3. Эксперименты по идентификации моделей мышц верхней конечности 62
3.1. Измерение кинематических характеристик упражнения 62
3.2. Программное обеспечение эксперимента 65
3.3. Результаты экспериментальных исследований 70
Литература
- Скелетные мышцы
- Морфометрия мышц
- Динамика движения системы «тренажер-рука»
- Программное обеспечение эксперимента
Введение к работе
Вся жизнь человека неразрывно связана с движением. Можно утверждать, что без движения или при малоподвижном образе жизни нарушаются важнейшие функции, обеспечивающие жизнедеятельность организма: снабжение кислородом, обмен веществ и т.п. В современных условиях, отличающихся развитием техники в быту и на производстве, мотиваций для естественных движений становится все меньше и поэтому все большее значение приобретают занятия спортом. В целом практически все виды спорта (кроме интеллектуальных) представляют собой взаимосвязанные комплексы движений, ограниченные рамками определенных правил. Мотивацией к занятиям спорта служат и соображения об общем укреплении здоровья и тем самым продления жизни, и соображения престижа и заработка у людей, сделавших спорт своей профессией.
По характерным особенностям организма нельзя найти двух одинаковых людей. В связи с этим и занятия спортом также сугубо индивидуальны. Конечно, существуют виды спорта, полезные каждому (бег, плавание, игровые виды спорта); они воздействуют практически на все группы мышц, развивая и укрепляя таковые. Но в силу индивидуальных особенностей развития организма может оказаться, что отдельные мышцы или их группы менее развиты и требуются специальные упражнения для приведения их к общему уровню развития.
При подготовке спортсменов высшей квалификации вопрос назначения специальных комплексов упражнений ставится по-другому. Спортсмен изначально настроен на победу в соревнованиях, то есть должен выполнить определенную группу движений таким образом, чтобы обеспечить наибольше соответствие принятому эталону (в гимнастике, фигурном катании) или обеспечить некоторый количественный результат, отличающийся от высшего, ранее достигнутого другими спортсменами (легкая атлетика, тяжелая атлети-
4 ка, конькобежный спорт и т.п.).
Отметим, что в обеих случаях (и в общефизической подготовке, и в профессиональном спорте) приоритет имеет анализ возможностей различных мышечных групп. Традиционные способы разработки методик тренировок опираются на выполнение специальных видов упражнений, и анализ их результатов; если для ОФП это вполне приемлемо, то для тренировок спортсменов высшей квалификации требует более строгого количественного анализа. В настоящее время такое совершенствование методик разработки специализированных комплексов упражнений можно реализовать, используя возможности современных информационных технологий (ИТ).
В настоящее время существует ряд медицинских приборов, использующих возможности компьютеров, позволяющих получить объективную количественную информацию о состоянии организма, проанализировать ее и дать заключение об отклонениях от нормы. Работа таких приборов напрямую связана с математическими моделями, разработанными медиками на основании обобщений многолетних наблюдений над патологиями организмов. Особенностью анализа движений является чрезвычайная сложность модели, обусловленная сложностью опорно-двигательного аппарата. Наличие такой модели обеспечивает применение ИТ как в планировании ОФП, так и тренировок спортсменов путем имитационного моделирования заданного комплекса движений и сопоставления результатов моделирования с некоторым эталоном. Но моделирование движений требует обширной информации об опорно-двигательном аппарате (ОДА): его структуре и характеристиках скелетных мышц, приводящих его в движение. Так как мы рассматриваем механическое движение, то определяющими являются именно механические характеристики элементов ОДА.
В литературе приводятся данные по механическим характеристикам различных костей и мышц, полученные in vitro, то есть в ходе испытаний над мертвым, расчлененным организмом. Если для костных тканей такая информация может, хотя и с натяжкой, считаться достоверной, то для мышц она
5 недостаточна, так как их состояние существенно зависит от сигналов центральной нервной системы (ЦНС), которая управляет движениями. Вследствие этого актуальной становится задача об определении характеристик мышц in vivo, то есть по опытам с живым организмом. Задачей таких опытов является установление механических свойств отдельных мышц, входящих в состав организма. Располагая такими сведениями, можно реализовать и моделирование заданных движений.
Рассматривая истоки данной работы, следует отметить, что вопросы биомеханики рассматривались рядом специалистов, как в России, так и за рубежом. Тем не менее, можно классифицировать биомеханические исследования на два класса: изучение движений (локомоций) организма под управлением центральной нервной системой, синтез движения), в предположении активной роли ЦНС в движении и изучение движений организма при заданных внешних воздействиях.
Одним из направлений теоретических исследований является так называемая бионика, суть перенесение принципов организации биообъектов на различные технические устройства. Примером этого служат многочисленные работы по механике роботов [6, 9, 14, 25, 26, 29, 31, 39, 41, 47, 48, 51, 52, 60, 62, 64, 71, 72, 73, 79, 82, 89, 95, 100, 102, 103, 104, 105]. В них рассматриваются вопросы моделирования управляемых движений антропоморфных механизмов в целом и отдельных их подсистем, причем важная роль отводится учету деформируемости элементов [4, 11, 13, 14, 16, 64, 73, 105]. Многие работы рассматривают динамику движений организмов; тем не менее, можно считать, что они закладывают теоретические основы проектирования антропоморфных роботов [1, 3, 36, 35]. Для анализа движений организма (или механизма) с деформируемыми звеньями предлагалось использование системного подхода, отражением которого на механику деформируемого твердого тела можно считать метод конечных элементов и метод суперэлементов, позволяющие производить анализ состояний и движений организма на основании его декомпозиции на подсистемы, определенные анатомическим члене-
ниєм [4, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 28, 68, 94, 95, 105]. Применение таких расчетных методов требует знаний механических характеристик костных и мышечных тканей. В исследованиях многих авторов свойства отдельных видов тканей изучались на образцах мертвых тканей (in vitro) [74, 77, 78, 83, 84, 86, 87, 90, 91, 92, 101]; обширные сведения по свойствам отдельных тканей приведены в учебной литературе по биомеханике [32, 65, 30]. Помимо этого, в ходе экспериментов с живыми организмами (in vivo) изучались кинематические и силовые характеристики движений человека, причем основным способом регистрации принималась киносъемка - бесконтактный метод, не вносящий искажений в объект исследования [7, 11,10, 12,15, 63, 66, 81].
Отметим, что для математического моделирования движений человека достаточно определение связей управляющих воздействий - сокращений мышц - с кинематикой и динамикой перемещений отделов (подсистем) организма, которые, может быть, несут на себе различные грузы (например, в толкании ядра, метании молота, тяжелой атлетике и т.п.). Поэтому экспериментальные исследования последней отмеченной группы (in vivo) следует считать основными для указанной цели.
При разработке методики идентификации свойств мышц будем отталкиваться от широчайшего опыта, накопленного тренерами. Суть его заключается в том, что с помощью специальных устройств - тренажеров оказывается возможным реализовать специальный комплекс движений, позволяющий преимущественно загрузить только одну группу мышц при минимальном действии всех остальных и тем самым реализовать направленное воздействие на организм. Комплекс таких упражнений на разных тренажерах при заданных сочетаниях объемов различных упражнений обеспечивает выравнивание развития отдельных мышц. Мы воспользуемся узкой направленностью таких упражнений с целью определения характеристик наиболее загруженных групп в ходе каждого отдельно взятого упражнения.
Таким образом, в обеспечение компьютерной разработки методик анализа общефизического состояния организма и рациональной методики трени-
7 ровок входят два основных пункта:
Математическая модель движений организма при заданных характеристиках элементов ОДА и управляющих воздействиях.
Методика идентификации характеристик элементов модели по данным упражнений на тренажерах.
Разработка математических и методических основ упомянутого моделирования и является целью данной работы.
В разделе 1 приводятся основные сведения по анатомии человеческого организма. Подробно рассмотрен опорно-двигательный аппарат как основа целенаправленных движений. Устанавливается, что с этой точки зрения ОДА есть сложная механическая система, осуществляющая движения под управлением ЦНС. Рассматривается механизм движений; из анализа литературных источников установлено, что движение отдельных элементов и подсистем обслуживается ограниченной по номенклатуре группой мышц, что дает основание для декомпозиции ОДА. Рассмотрены принятые в биомеханике математические модели мышечной ткани, основной чертой которых является постулирование вязкоупругих свойств. Тем самым закладывается методологическая основа для изучения локомоций человеческого организма.
В разделе 2 рассматривается математическая модель одной из подсистем ОДА - верхней конечности (руки). Предлагается для описания движений использовать модель системы стержней, соединенных между собой идеальными шарнирами (суставами), и приводимых в относительные движения с помощью вязкоупругих тяжей (нитей), работающих только на сокращение. Длина мышцы считается управляющим воздействием, то есть заданной функцией времени, обусловленной сигналами ЦНС. Формулируется система уравнений движения, учитывающая конечные взаимные повороты элементов руки. Формулируется уравнение состояния вязкоупругого тяжа - модели мышцы, учитывающее ее предельные возможности по сокращению. Формулируется задача идентификации параметров моделей мышц. В качестве идентификационного эксперимента предлагается использовать упражнение на
8 тренажере, ориентированное на тренировку основных сгибателей и разгибателей - двуглавой, плечелучевой и трехглавой мышц.
Формулируется методика идентификации параметров моделей упомянутых мышц. Выделяется группа наблюдаемых кинематических параметров упражнения - закон движения подвижного груза тренажера, закон относительного поворота плеча и предплечья. На основании уравнений движения формулируются линейные по параметрам мышц уравнения идентификации, которые позволяют получить значения функции релаксации мышц в наперед заданные моменты времени. Приводятся результаты тестирования программ идентификации.
В разделе 3 описывается аппаратно-программный комплекс (АПК) идентификации мышц. В его состав входят: переносной компьютер, электромиограф, видеокамера, датчик перемещений. Управление измерениями производится специально разработанной программой, в функции которой входят: синхронный запуск всех элементов аппаратной части; сбор информации от всех трех компонент в едином времени; остановка измерений; обработка результатов измерений и оформление протокола испытаний. Приводятся результаты идентификации реальных экспериментов.
В заключении обсуждаются основные результаты и приводятся выводы по работе.
Скелетные мышцы
Важнейшей особенностью мышечной ткани является ее способность к сокращению. Мышцы разделяются на гладкие и поперечнополосаые, а также по принадлежности к определенным органам, по скорости ответа на возбуждающий сигнал, по наличию белкового пигмента и т.д. Гладкая мышечная ткань образует стенки сосудов и внутренних органов.
Поперечнополосатая мышечная ткань образует всю скелетную мускулатуру. Ее основной элемент - мышечное волокно, достигающее длины до 12 см. Оно состоит из развитой оболочки (сарколемы) фибриллярного строения, протоплазмы, содержащей миофибриллы, параллельные волокну и большого количества ядер, расположенных на периферии. Миофибриллы состоят из
правильно чередующихся по длине дисков, по-разному преломляющих свет, что и обеспечивает поперечную исчерченность. Рыхлая соединительная ткань связывает поперечнополосатые мышечные волокна в пучки (мышцы) большей или меньшей величины.
Нервная ткань своими нервными клетками - нейронами обеспечивает передачу сигналов от центральной нервной системы к мышечной ткани. Нейроны связываются в пучки - нервные волокна - с помощью глии - вспомогательной ткани.
Следует отметить, что локомоции осуществляются при участии практически всех видов тканей, что абсолютно ясно из того факта, что мышечная ткань пронизана сосудами и нервными волокнами, что реализует связи опорно-двигательного аппарата с центральной нервной системой (ЦНС) («центром управления»), пищеварительной (ПС) и дыхательной (ДС) системами (источником энергии). Тем не менее, возможно построение упрощенной, механической модели локомоции, в которой будет рассматриваться только совместная деятельность скелета и мышц; при этом связь с ЦНС можно определять как временную диаграмму сокращения отдельных мышц, а связь с П и ДС разорвать вообще, считая, что необходимое количество энергии обеспечено.
Изложенные сведения общего характера позволяют сделать вывод о возможности моделирования локомоции человека на основании физической модели, включающей в себя пассивные (опорные) элементы - скелет и активные (управляющие) элементы - мышцы. Для применения компьютерных технологий при моделировании необходима разработка математических моделей всех выбранных элементов.
Кости соединяются между собой с помощью неподвижных соединений при помощи соединительной ткани (соединения ребер грудиной), полусуставов посредством хряща (соединения ребер с позвонками грудного отдела) и прерывных соединений - суставов. Последние обладают высокой подвижностью и имеют разнообразную структуру. Структура сустава включает в себя хрящи, капсулу, суставную полость, заполненную синовиальной и интер-стициальной жидкостями. Сустав называется простым, если он соединяет две кости, и сложным, если его образуют три и более кости (например, коленный сустав). Классификация суставов производится по числу кинематических степеней свободы аналогично кинематическим парам в теории механизмов и машин [32] и приведена ниже в Табл. 1.1
При моделировании движений элементы скелета должны быть представлены системой уравнений, в которой их состояния представляются через перемещения выбранных точек (узлов), в качестве каковых удобно выбрать геометрические центры суставов. Тогда для описания костей следует определить: положение двух узлов, уравнение линии, определяющей ось кости и уравнения, определяющие изменение геометрии поперечного сечения, а также распределение свойств (плотности, модулей упругости, прочности) по сечениям и длине кости.
Мышцы скелета (рис. 1.2) представляют собой активный элемент ОДА; их сокращение по сигналам нервной системы обуславливает взаимные перемещения костей скелета и перемещения всего организма относительно земли. Таким образом, скелетные мышцы представляют собой систему движителей; каждая степень свободы скелета как механической системы обслуживается группой мышц. Особенностью мышцы как двигателя является ее одностороннее действие, т.е. мышца способна к сокращению с совершением механической работы, но ее удлинение таковой не производит. Тем самым в группах мышц, обслуживающих одну степень свободы, выделяют два класса: сгибатели и разгибатели, т.е. сокращение одной мышцы приводит к «увеличению» количественного показателя степени свободы, другой - к его «уменьшению». Такая пара мышц называется антагонистами. Если сокращение пары мышц одинаково влияет на определенную степень свободы, то они называются си-нергистами.
Морфометрия мышц
Для определения характеристик моделей подсистем необходимо детально изучить особенности мышечной ткани, связанные с движением, и собственно саму модель мышцы, которую можно принять, решая задачу идентификации.
При биомеханическом анализе движений человека принятая в анатомии номенклатура мышц не всегда достаточна. Дело в том, что разные части мышцы могут быть различными по функции. Поэтому введено понятие об актонах.
Актоном называется часть мышцы, волокна которой распределены так, что создаваемые ими моменты силы относительно сустава всегда совпадают по направлению. Классом актона называется число суставов, в которых актон развивает моменты силы (например, двусуставные мышцы — это актоны второго класса). Число функций актона — это число степеней свободы в суставах, относительно которых данный актон создает моменты силы (используется также термин «число степеней свободы актона»). Например, длинная головка двуглавой мышцы плеча сгибает, отводит и пронирует плечо в плечевом суставе, а в локтевом сгибает и супинирует предплечье. Это актон второго класса, число функций которого равно 5.
Рассмотрим вопрос об актонах на примере верхней конечности человека. Верхняя конечность имеет 22 сустава с 30 степенями свободы. Общее число актонов равно 66, так что в среднем на каждую степень свободы приходится 66:30 = 2,2 актона, а на каждый сустав 66 : 22 = 3 актона. Распределение актонов разных классов и с разным числом функций показано на рис. 2.3. Общее число функций актонов верхней конечности составляет 264, а на один сустав приходится 264/22= 12 функций актонов. Число функций одного актона составляет в среднем 264/66 = 4. Одна степень свободы в суставе обслуживается в среднем 264/30 = 8,8 функциями актонов. Последнее означает, что какое-либо движение в суставе, например, сгибание, может быть выполнено за счет активности в среднем 4,4 актона. Сходная картина типична и для других областей тела: каждую степень свободы в суставе обслуживают несколько актонов и, наоборот, каждый актон имеет несколько функций — при своем сокращении он создает моменты сил относительно нескольких степеней свободы. [35]
Для биомеханических расчетов нужны точные количественные данные о строении отдельных мышц и особенностях их расположения относительно костных рычагов и соседних мышц — морфометрические данные. [35]
Сводные данные о плечах сил ряда мышц верхних конечностей приведены на рис. 1.5. Определение плеч сил является сложной морфометрической задачей и связано с рядом допущений, упрощающих реальную ситуацию.
Допущения обычно состоят в том, что мышцу заменяют нерастяжимой нитью, соединяющей срединные точки мест прикрепления мышцы. Затем, изменяя угол между сочленяющимися костями, либо измеряют расстояние от оси вращения в суставе до нити, либо, зная места (точки) прикрепления мышцы, определяют плечи сил на основе тригонометрических расчетов. Погрешности при этом вызваны следующими обстоятельствами:
а) мышцы прикрепляются не к точке на кости, а к более или менее значи тельной поверхности;
б) далеко не всегда мышцы можно моделировать прямой нитью; в) при изменении угла в суставе положение мгновенной оси вращения может измениться; это, в свою очередь, влияет на величины плеч сил;
г) многие мышцы крепятся не только к костям, но и к так называемому мяг кому скелету, т. е. к фасциям, другим мышцам и т. п. Это может изменить плечи сил и, что не менее существенно, сделать их зависимыми от величин проявляемой силы.
Как бы то ни было, знание плеч сил остается обязательным предварительным условием для понимания функции мышц в организме и механизмов управления мышечной активностью. [35]
Представим себе поперечный разрез мышцы, произведенный перпендикулярно направлению ее волокон. Центр такого разреза, т. е. центр тяжести бесконечно тонкого мышечного слоя, можно, очевидно, рассматривать как точку приложения равнодействующей силы мышечной тяги всех волокон мышцы. (Это равносильно предположению, что абсолютная сила, т. е. сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения мышцы, одинакова для всех участков мышцы, что, в свою очередь, соответствует предположению о равномерном «перемешивании» мышечных волокон, имеющих разные функциональные свойства.) Если определить центры всех возможных поперечных сечений мышцы, то геометрическое место точек таких центров образует линию, называемую центроидой мышцы. Центроида мышцы рассматри вается как линия действия равнодействующей силы мышечной тяги всех волокон данной мышцы. [35]
Динамика движения системы «тренажер-рука»
Для экспериментального изучения верхней конечности как подсистемы ОДА следует создать определенные условия, в которых движение обеспечивается в основном именно ее мышцами. Такие условия создаются с помощью специальных тренажеров, позволяющих нагрузить определенную мышцу (или группу мышц). Как правило, усилия в тренажере развиваются либо путем подъема груза, либо деформации упругого элемента. Общий вид простейшего тренажера мышц руки приведен на рис. 2.1. Он состоит из рамы 3, на которой закреплены сидение 1, опора руки 2 и подвижного груза 4. Величина груза регулируется добавлением или снятием чугунных пластин. Приводом для груза является рукоятка, закрепленная на тросе. Спортсмен располагается на сидении 1, причем его плечо укладывается на опору 2 так, что оно в процессе упражнения остается неподвижным. Груз поднимается и опускается движением предплечья - его поворотом в локтевом суставе. Фиксируя в процессе упражнения положение груза и взаимного расположения плеча и предплечья, можно получить информацию, необходимую для идентификации математических моделей мышц верхней конечности.
Рассмотрим кинематическую схему системы «тренажер-рука» (рис. 2.2). При составлении схемы предполагалось, что локтевой сустав есть неподвижный цилиндрический шарнир, ось которого параллельна плоскости рамы. Подвижный рычаг ОА - предплечье; его размеры и массовые характеристики предполагаются известными. Из конструкции тренажера известны расстояние от локтевого сустава до плоскости движения груза и высота установки блока. Принятые предположения позволяют считать движение системы плоским. Примем декартову систему координат, ось у которой направлена вдоль рамы тренажера. Из рис. 2.2 следуют очевидные соотношения, основанные щ.
Кинематическая схема системы «Тренажер-рука» на векторных представлениях радиус-вектора точки С (подвижного груза): ОА- АВХ - Я\Ох- ОхВ2- B2D- х 2=ОВ- ВС Для составления уравнений идентификации необходимо увязать значения измеряемых кинематических величин - y(t), углов фі и фг - с длинами мышц, приводящих предплечье в движение. Примем, что движение обслуживается тремя основными мышцами (или их актонами), перечисленными на рис. 1.3: двуглавой мышцей плеча и плечелучевой мышцей, мышцей - лучевым сгибателем и трехглавой мышцей плеча - разгибателем. При этом отме Нить 3 - трехглавая мышца
Схема действующих приводных мышц верхней конечности тим, что двуглавая и плечелучевая мышцы имеют общий характер работы: их «верхние» концы крепятся к той части системы, которая в упражнении счи 47 тается неподвижной (см. рис. 2.3), причем противоположные концы - к разным костям предплечья, так что можно условно принять их «параллельными» плечевой кости. Лучевой сгибатель, напротив, по этому признаку «параллелен» предплечью. Так как рассматриваемое упражнение связано с плоским движением, то поворот предплечья относительно его оси за счет разных точек прикрепления двух первых мышц рассматривать невозможно; поэтому условно заменим их одной нитью и рассмотрим движение верхней конечности под управлением трех изменений длины: двумя при сгибании и одним -при разгибании. Рассмотрим схему изменения длин мышц (рис. 2.3). Текущие длины мышц есть отрезки соответствующих нитей между точками прикрепления Ah Вх. Обозначим их /,-. Расстояния от точек прикрепления А( до локтевого сустава О считаем известными и обозначим Z,,. Плечи мышц f( считаем известными функциями угла в локтевом суставе фо (см., например, рис. 2.5, 2.7). Тогда из треугольников AtO Bh используя теорему косинусов, найдем:
Теперь, считая длины нитей известными, можно составить уравнения движения системы «тренажер-рука», считая, что силы тяги нитей определены соотношениями ( 2.3). При этом будем учитывать поступательное движение груза С и вращательное движение предплечья ОА (рис. 2.4). Из уравнения движения груза найдем силу натяжения троса, пренебрегая трением в блоке и направляющих груза: Т = тс(у- gcosa) Здесь Jnp - момент инерции предплечья с учетом сосредоточенной массы в точке А, учитывающей массы кисти и рукоятки тренажера. В ( 2.9) введены обозначения а,- - острые углы при вершинах треугольников AtO Bh
Программное обеспечение эксперимента
Как было описано в разд.2, упражнение заключается в подъеме груза путес сгибания руки в локтевом суставе при неподвижном предплечье. Из соотношений модели разд. 2 следует, что измерению подлежат высота подъема груза и локтевой угол. Рассмотрим способы их измерения в эксперименте.
Простейшим в этом смысле объектом измерения является перемещение груза. Как следует из рис. 2.1, груз перемещается по направляющим, параллельным раме, на расстояние 1100 мм. Поэтому чувствительным элементом датчика перемещения выбрана струна из манганиновой проволоки длиной 1200 мм 00.1 мм с электрическим сопротивлением 65 Ом. Сигнал, пропорциональный перемещению, снимается ползунком, состоящим из пяти проволок, закрепленным на верхнем грузе с помощью штанги, выполненной из алюминиевого профиля. Для обеспечения надежного контакта проволоки ползунка переплетены со струной и концы их опаяны. Струна натягивается с помощью двух приспособлений, состоящих из стальных уголков 40мм, изолирующей пластины из текстолита, в которой по резьбе М8 перемещается латунная трубка. К концам струны подводится стабилизированное напряжение 2В. При перемещении груза изменяется положение ползунка; полезный сигнал измеряется между ползунком и нижним концом струны. Основные узлы датчика перемещений показаны на рис. 3.1.
Измерение напряжений осуществляется с помощью 32-канального АЦП JIA20USB (фирма Руднев-Шиляев) с диапазоном измерений 0..2В. Сигнал с АЦП через порт USB - 2 вводится в ПК Aser Aspire 5600. Отметим, что измеряются два напряжения: напряжение питания Uo и сигнальное напряжение Uc. Это позволяет избавиться от влияния неточностей установки питающего напряжения и вычислять перемещение по формуле:
Неиспользуемые каналы АЦП заземляются для уменьшения помех. Для измерения локтевого угла был использован метод киносъемки с помощью Web - камеры Creative Live! Cam. Камера устанавливалась на специальном штативе с площадкой (рис. 3.2), положение которой в пространстве регулируется специальными винтами. Для юстировки положения камеры использовался специальный шаблон, изготовленный из белого пластика с нанесенными на нем пятью точками, расположенными в вершинах квадрата размером 200x200 мм. Шаблон закреплялся на раме тренажера за горизонтальный и вертикальный силовой элемент так, чтобы его плоскость была параллельна плоскости рамы. При съемке фиксировался BMP-файл с изображением квадрата. Программное сканирование файла позволяет определить положение всех точек в декартовой координатной системе изображения, размер которого составлял 320x240 пике. По четырем угловым точкам определяются размеры сторон квадрата. Несовпадение вычисленных размеров говорит о наклоне картинной плоскости камеры по отношению к плоскости рамы. Вращением двух винтов, определяющих угловое положение площадки, наклон устраняется, что контролируется повторной съемкой и сканированием. После этого винтами вертикального и горизонтального перемещения подбирается положение оси камеры так, чтобы координаты пятой точки (центра квадрата) были равны (160, 120), т.е. центр квадрата совпал бы с центром изображения.
Для регистрации локтевого угла на руку человека наносились три контрастные метки - квадраты 10x10 мм из белого медицинского пластыря, одна из их, основная, наносилась на предплечье вблизи кистевого сустава; вторая - на локтевой сустав, и третья - на середину плеча. Расстояние между точками перед экспериментом измерялось металлической мерной лентой с ценой деления 1мм.
Сканирование изображения мгновенного положения руки позволяет по трем точкам определить локтевой угол из соотношений теоремы косинусов для треугольника с тремя известными сторонами.
Отметим, что максимальная скорость съемки камеры данного типа составляет 30кадр/сек и поэтому разрешающая способность по времени относительно невелика. Для устранения этого недостатка следует использовать другую профессиональную камеру, например, для спортивных киносъемок.
Синхронность измерений обеспечивалась специальной программой (см. ниже). Для определения активности мышц в ходе эксперимента фиксировались электромиограммы плечелучевой, двуглавой и трехглавой мышц. С этой целью применен 4-х канальный электромиограф «Феникс».
Программа построена по мультипоточному принципу. Основной поток реализует интерфейс программы. Нажатие кнопки «Запуск» приводит к созданию и инициализации двух потоков: потока съема информации с АЦП и потока записи видеофильма. Два последних потока имеют одинаковый, наивысший приоритет (выше системного), что и обеспечивает работу в реальном времени. Опыты показали, что при использовании однопроцессорного ПК синхронизация оказалась практически невозможной. Поэтому упомянутые потоки реализовывались на двух ПК, объединенных в локальную сеть со скоростью передачи данных 100 Кбайт/с. Синхронизация потоков осуществляется посылкой по сети системного сообщения из потока АЦП в поток видеосъемки. После установки программных параметров АЦП и ожидания его готовности к измерениям посылается сообщение на второй компьютер, запускающий поток видеосъемки. После окончания сеанса работы АЦП посылается сообщение, заканчивающее видеосъемку. Таким образом, рассинхони-зация потоков равна времени пересылки сообщения по сети (его размер составляет примерно 64байт), что составляет малую величину по сравнению с характерным временем эксперимента, равного 1.5..2.5с. Тем самым роль таймера системы единого времени отводится таймеру АЦП.
При отладке программы было обнаружено, что фактическая частота видеосъемки составляла 14 кадр/с. Так как минимальная частота дискретизации АЦП равна 100 Гц, то в ходе эксперимента была выбрана именно она
