Биомеханический контроль. клинический анализ движений

Работа опорно-двигательного аппарата человека основана на принципах механики. Для изучения биомеханических систем человека используют данные биофизики, физиологии, математики и др. Известно, что человек как биомеханическая система, подчиняется законам физики и механики.

При изучении движений в биомеханике используют данные антропометрии, анатомии, физиологии нервной и мышечной систем и др.; в биомеханику ОДА включают его функциональную (динамическую) анатомию и др.

Рис. 16.1. Отклонения от физиологической нормы изгибов позвоночника: а - плоская спина, б - чрезмерный лордоз, в - круглая (сутулая) спина, г - нормальная осанка, д - функциональный сколиоз, е - патологический сколиоз

Цель биомеханических исследований - создание спортивного инвентаря и техники (велосипеды, лодки, весла, спортивная обувь и многое другое), разработка техники движений в том или ином виде спорта, а также профилактика и лечение травм и т. д.

Асимметрия сторон тела и конечностей, разница в окружности сегментов одной конечности по сравнению с другой, в объеме суставов, изменения физиологических изгибов позвоночника и другие отклонения от нормы должны быть отмечены и учтены в процессе биомеханического контроля (рис. 16.1).

Ось нормальной нижней конечности проходит от передне-верхней подвздошной ости через середину коленной чашки и второй палец стопы (рис. 16.2). Длинная ось верхней конечности проходит через центр головки плечевой кости, головку лучевой и головку локтевой костей (рис. 16.3).

Рис. 16.2. Прохождение оси нижней конечности:

1 - нормальная ось нижней конечности, 2 - ось конечности проходит кнутри от надколенника, 3 - ось конечности проходит снаружи от надколенника

Рис. 16.3. Прохождение оси верхней конечности:

7 - нормальная ось верхней конечности, 2 - отклонение оси предплечья кнаружи, 3 - отклонение оси предплечья кнутри

Измерение длины нижней конечности осуществляется в положении лежа: конечности располагают строго симметрично и избирают на каждой из них по две симметричные точки (рис. 16.4). Верхней точкой может служить передне-верхняя ость таза или верхушка большого вертела. Нижней точкой может быть нижний конец внутренней или наружной лодыжек (см. рис. 16.4).

Рис. 16.4. Измерение длины нижней конечности (а), измерение длины бедра (б), измерение длины голени (в)

Рис. 16.5. Измерение длины верхней конечности (а), измерение длины плеча (б), измерение длины предплечья (в)

Точно также производится измерение длины верхней конечности. Верхней точкой при этом служит конец акромиального отростка лопатки или большой бугорок плечевой кости, нижней - шиловидный отросток лучевой кости или до конца III пальца (рис. 16.5).

Для измерения длины плеча или предплечья промежуточной точкой обычно служит верхушка локтевого отростка или головка лучевой кости.

После измерений больной конечности, полученные данные сравнивают с данными измерений здоровой конечностью (рис. 16.6).

Рис. 16.6. Правильное положение человека при измерении длины

конечностей (а). Сопоставление длины конечностей: б- голеней,

в - предплечья, г - плеч

Необходимо различать анатомическое (истинное) и функциональное укорочение или удлинение конечности. Анатомическая длина (укорочение или удлинение) складывается из суммы длины бедра и голени для нижней конечности и плеча и предплечья - для верхней конечности.

Измерение в первом случае производится от верхушки большого вертела до щели коленного сустава и от последней до наружной (внутренней) лодыжки; во втором случае - от большого бугорка плечевой кости до головки лучевой кости и от последней до шиловидного отростка лучевой (локтевой кости). Эти суммарные данные сравнивают с такими же данными, полученными при измерении здоровой конечности. Разница между ними и составляет величину анатомического укорочения (рис. 16.7).

Функциональное укорочение или удлинение конечности определяется путем указанного выше измерения ее отдельных сегментов, но верхней точкой для нижней конечности при этом служит передне-верхняя подвздошная ость, а для верхней конечности - конец акромиального отростка лопатки. Функциональное укорочение обычно зависит от наличия контрактур или анкилозов суставов в порочном положении, искривлений костей, вывихов и т. д.

Функциональное укорочение может быть измерено в положении стоя (см. рис. 16.7, б). Оно равно расстоянию от подошвенной поверхности стопы больной конечности до пола при опоре на здоровую конечность (см. рис. 16.7, б).

Между анатомическим и функциональным укорочением может быть значительная разница. Так, например, длина бедра и голени больной и здоровой стороны может быть одинаковой, а между тем при наличии сгибательной контрактуры в коленном или тазобедренном суставах, вывихе, анкилозе тазобедренного сустава в положении приведения функциональное укорочение может достичь 10-15 см и более (рис. 16.8).

Определение объема движения в суставах (16.9). Степень и тип движения нормального сустава зависит от формы суставных поверхностей, от ограничивающего действия связок и от функции мышц.

Различают активные и пассивные ограничения движений в суставах. Известен объем нормальной амплитуды движений в различных суставах (рис. 16.10, см. стр. 454-455). Однако для практических целей гораздо более важные данные могут быть получены при сравнении движений в суставах больной стороны и здоровой.

Движения в сагиттальной плоскости называют сгибанием и разгибанием (flexio et extensio), в отношении кисти принято говорить - ладонное и тыльное сгибание, в отношении стопы - тыльное и подошвенное сгибание.

Движения во фронтальной плоскости называют приведением (adductio) и отведением (abductio). В отношении лучезапястного сустава принято говорить - лучевое приведение и локтевое отведение; движение внутрь в пяточно-кубовидном суставе есть приведение, движение наружу - отведение. Движения вокруг продольной оси называют ротацией (rotatio) внутренней и наружной. В отношении предплечья (рис. 16.11) принято называть наружную ротацию - супинацией (supinatio), а внутреннюю ротацию - пронацией (pronatio), так же как отклонение стопы в подтаранном суставе от оси нижней конечности внутрь принято называть супинацией, а кнаружи - пронацией (см. рис. 16.15).

Рис. 16.7. Сопоставление длины нижних конечностей (а). Измерение функционального укорочения нижней конечности в положении стоя (б)

Рис. 16.8. Виды укорочений:

а - абсолютное укорочение нижней конечности (при переломе со смещением), б-относительное укорочение (при вывихе бедра), в - кажущееся укорочение (при сгибательной контрактуре коленного сустава)

Рис. 16.9. Определение объема движений в суставах:

1 - измерение объема движений в плечевом суставе (а - измерение угла отведения, б - измерение угла сгибания); 2 - измерение подвижности в локтевом суставе, 3 - измерение угла приведения кисти, 4 - измерение подвижности в тазобедренном суставе, 5 - измерение подвижности в тазобедренном суставе при сгибательной контрактуре, 6 - измерение величины отведения бедра, 7 - измерение угла сгибания в коленном суставе, 8 - измерение подвижности стопы

Движения в суставах могут производиться пациентом активно или с помощью исследователя (пассивно). Измерение амплитуды движений производится с помощью угломера, бранши которого устанавливает по оси сегментов конечности, а ось угломера - по оси движения суставов (см. рис.

Рис. 16.11. Исследование ротационных движений в плечевом суставе: а - ротация кнаружи, б - ротация внутрь

Рис. 16.10. Объем движений в суставах: а - верхние конечности,

б - нижние конечности

Ограничение пассивной подвижности в суставе носит название контрактуры. Ограничение активной подвижности - это не контрактура, а состояние, связанное с болевыми ощущениями, параличом или парезом мышц.

Полную неподвижность в суставе называют анкилозом. Различают костный анкилоз, при котором суставные концы сочленяющихся костей спаяны между собой костным веществом, и фиброзный анкилоз, при котором спайка состоит из фиброзной ткани. В последнем случае возможны ничтожные, еле заметные на глаз движения.

Для определения объема ротационных движений конечностей используют ротатометры (рис. 16.12). Данные измерений записывают в градусах. Пределом возможного пассивного движения является ощущение боли. Объем активных движений иногда в значительной степени зависит от состояния сухожильно-мышечного аппарата, а не только от изменений в суставе. В этих случаях между объемом активных и пассивных движений возникает значительная разница.

Движения в локтевом суставе возможны в пределах: сгибание до 40-45°, разгибание до 180°. Пронационно-супинационные движения предплечья в локтевом суставе определяются в положении, изображенном на рис. 16.13, и возможно в пределах 180°.

Рис. 16.12. Ротатометр. Определение объема ротационных движений

Рис. 16.13. Супинация (а) и пронация (б) предплечья

В лучезапястном суставе движения совершаются в пределах 70-80° тыльного сгибания и 60-70° ладонного сгибания. Определяются также боковые движения кисти - радиальное отведение в пределах 20° и ульнарное - в пределах 30° (см. рис. 16.10).

В пальцах кисти разгибание возможно в пределах 180°, сгибание в пястно-фаланговых суставах возможно до угла 70-60°, в межфаланговых сочленениях - до 80-90°. Возможны и боковые движения пальцев. Особенно важно определить отведение первого пальца и возможность соприкосновения между первым и пятым пальцами.

В тазобедренном суставе объем движений в норме: сгибание до 120°, разгибание 30-35° (угол между горизонтальной плоскостью и осью бедра), отведение 40-50°, приведение 25-30° (угол между вертикальной осью туловища и осью бедра) (см. рис. 16.10, б).

Физиологические движения в голеностопном суставе и стопе совершаются в пределах 20-30° тыльного сгибания (разгибание стопы) и 30-50° подошвенного сгибания (см. рис. 16.9). Приведение стопы, как правило, сочетается с супинацией (вращение стопы внутрь), отведение сопровождается пронационным движением (вращение стопы наружу).

Физиологические движения в позвоночнике для удобства определяются и в градусах (что более сложно) и в максимальных движениях различных отделов.

В шейном отделе сгибание в норме совершается до соприкосновения подбородка с грудиной, разгибание - до горизонтального положения затылка, вбок - до соприкосновения ушной раковины с надплечьем.

Рис. 16.14. Измерение окружности головы (а), плеча (б), груди (в), голени (г), бедра (д)

В грудном отделе сгибание и разгибание осуществляются в небольшом объеме. Грудные позвонки принимают большое участие в боковых движениях позвоночника, объем ротационных движений 80-120°.

В поясничном отделе наибольший объем движений определяется в передне-заднем направлении, боковые и ротационные движения умеренные.

Окружность конечностей (больной и здоровой) измеряют в симметричных местах на определенном расстоянии от костных опознавательных точек: для ноги - от передней верхней ости подвздошной кости, большого вертела бедра, суставной щели коленного сустава, головки малой берцовой кости; для рук - от акромиального отростка, внутреннего надмыщелка плеча (рис. 16.14).

Измерения стоп производят как с нагрузкой, так и без нагрузки (рис. 16.15). Деформация стопы в результате статической недостаточности складывается из а) пронации заднего отдела стопы и компенсаторной относительной супинации ее переднего отдела; б) изгиба к тылу переднего отдела стопы по отношению к заднему отделу, устанавливающемуся в положении подошвенного сгибания (уплощение стопы); в) отведения переднего отдела стопы (абдукция) по отношению к ее задней части (рис. 16.16).

Рис. 16.15. Определение отведения переднего отдела стопы: а - стопа в норме, б - плосковальгусная стопа. Определение пронации заднего отдела стопы (в)

Ф.Р. Богданов рекомендует измерять продольный свод стопы путем построения треугольника, опознавательные точки которого легко доступны ощупыванию. Такими точками являются: головка первой плюсневой кости, пяточный бугор и вершина внутренней лодыжки (рис. 16.17). Соединив эти три точки, получают треугольник, основанием которого служит расстояние от головки первой плюсневой кости до пяточного бугра. Расчет ведут по высоте свода и величине углов внутренней лодыжки и у пяточной кости. В норме высота свода равна 55-60 мм, угол у лодыжки составляет 95°, угол у пяточной кости - 60°. При плоской стопе: высота свода меньше 55 мм, угол у лодыжки 105-120°, угол у пяточной кости 55-50°.

Рис. 16.16. Расположение условной оси голеностопного сустава (а): 1 - нормальное положение стопы; 2 - отклонение стопы кнаружи; 3 - отклонение стопы кнутри. Нормальные и патофизиологические изменения стопы (черным помечены зоны контакта стопы с поверхностью) (б): 1 - нормальное; 2 - плоскостопие; 3 - косолапость

Рис. 16.17. Измерение стопы по Ф.Р. Богданову: а - стопа в норме, б - полая стопа, в - плоская стопа

Рис. 16.18. Измерение основных углов свода стопы на профильной рентгенограмме (схема)

Для определения степени плоскостопия применяют рентгенологический метод исследования. Расчет основан на построении треугольника, вершинами которого являются головка плюсневой кости, ладьевидная кость и бугор пяточной кости, и измерении высоты свода и величины угла у ладьевидной кости (рис. 16.18).

Ангулография - запись углов сгибания и разгибания в суставах нижней конечности: тазобедренном, коленном и других с обозначением межзвенных углов (B.C. Гурфинкель и А.Я. Сысин, 1956). По данным ангулограмм можно определить походку в норме и при патологии, а также до и после лечения (рис. 16.19). При применении лечения (реабилитации) ангулография начинает приближаться к норме.

Рис. 16.19. Подография и ангулография:

1. Подография ноги: ПП - правой, ПЛ - левой. 2.

Ихнография - метод записи следов от обеих ног при ходьбе с учетом длины шага каждой ноги, разворота стопы, ширины шага, угол шага (рис. 16.20).

При анализе следовых дорожек по отпечаткам стоп измеряются пространственные параметры шага.

Модификация метода ихнографии - Подография - использование регистрации электрических сигналов при соприкосновении стопы с полом (рис. 16.21). На специальную металлизированную дорожку и металлический контакт на обуви подается слабый электрический ток, при касании поверхности такой обувью замыкается цепь и проходит ток, регистрируемый на приборе (например, на осциллографе). Помещая контакты в определенных местах подошвы можно регистрировать фазы переноса конечности, постановки пятки на опору, переката на всю ступню, отрыва пятки и т. д.

Участие различных мышц в осуществлении двигательного акта изучают посредством электромиографии, т. е. путем исследования электрической активности мышц. С этой целью отводящие электроды прикладывают к коже человека над соответствующей мышцей. Многоканальные электромиографы одновременно регистрируют электрическую активность нескольких мышц.

Рис. 16.20. Отпечаток стоп (верхний рисунок):

а - стопа в норме, б - косолапость, в - плоская стопа, г - полая стопа. Ихнография стоп при ходьбе (нижний рисунок): а - ширина шага, б - длина шага, в - угол шага

Рис. 16.21. Подограммы и коленные углы больной А.

Поздний восстановительный период полиомиелита. Паралич левой ноги. I - в первые дни пользования беззамковым аппаратом; II - через 3 недели: а - в аппарате, б - без апперета (по Н.А. Шенк, 1975)

ЭМГ записывают с мышц симметричных сегментов конечностей или симметричных половин туловища, либо с мышц-антагонистов. Полученную ЭМГ оценивают по высоте осцилляции, их частоте в единицу времени и в целом всю запись. Показано, что тренировки усиливают электрическую активность мышц (рис. 16.22). Особенно это заметно при тренировке (применение ходьбы, бега, лечебной гимнастики и других средств) после перенесенной травмы.

Рис. 16.22. Электромиограммы:

1 - после тренировки, 2 - после восстановительного массажа и оксигенотерапии, 3 - после криотерапии

Рис. 16.23. Измерение гибкости позвоночника

Измерение гибкости позвоночника. Гибкостью называется способность выполнять движения с большой амплитудой. Мерой гибкости является максимум амплитуды движений. Различают активную и пассивную гибкость. Активная выполняется самим испытуемым, пассивная - под влиянием внешней силы. Гибкость зависит от состояния суставов, эластичности (растяжимости) связок, мышц, возраста, температуры окружающей среды, биоритмов, времени суток и др.

Обычно гибкость определяется по способности человека наклониться вперед, стоя на простейшем устройстве (рис. 16.23). Перемещающаяся планка, на которой в сантиметрах нанесены деления, показывает уровень гибкости.

Искривление позвоночника может наступить в трех плоскостях: а) фронтальной (боковое искривление - сколиоз); б) сагиттальной (круглая спина, горб - кифоз); в) горизонтальной (поворот позвонков - торсия).

Сколиоз - это заболевание костной и нервно-мышечной системы в области позвоночника, которое вызывает прогрессирующее боковое искривление последнего с торсией, изменением формы позвонков клиновидного характера, с развитием деформаций ребер и образованием реберных горбов, переднего и заднего, усилением поясничного лордоза, грудного кифоза и с развитием компесаторных дуг искривления (рис. 16.24).

Общий центр тяжести тела играет важную роль при решении различных вопросов механики движений. Равновесие и устойчивость тела определяется положением ОЦТ.

Рис. 16.24. Признаки нормальной осанки (а).

Определение искривления позвоночника (б). Виды сколиоза:

1 - правосторонний, 2 - левосторонний, 3 - S-образный

Общая площадь опоры - площадь, заключенная между крайними точками опорных поверхностей, иными словами, площадь опорных поверхностей и площадь пространства между ними (рис. 16.25). Величина площади опоры при различных положениях тела очень варьирует.

Рис. 16.25. Проекция ОЦТ на горизонтальную плоскость: - поперечная ось тазобедренного сустава, 2 - поперечная ось коленного сустава, 3 - поперечная ось голеностопного сустава

Применительно к телу человека различают два вида равновесия: устойчивое и неустойчивое. Устойчивое равновесие - когда ОЦТ тела расположен ниже площади опоры, а неустойчивое - когда ОЦТ тела расположен выше площади опоры.

В. Браунс и О. Фишер определили положение ОЦТ тела и центров тяжести его отдельных частей. Выявлено, что ЦТ головы лежит сзади от спинки турецкого седла примерно на 7 мм; ЦТ туловища - спереди верхнего края первого поясничного позвонка (Ц). По оси туловища его ЦТ отстоит от краниального конца примерно на 3/6 длины, а от каудального - на 2/5 длины (см. рис. 2.9). Прямую между поперечными осями, проходящими через плечевые и тазобедренные суставы, ЦТ туловища делит примерно в отношении 4:5. По Фишеру, изолированное бедро, голень, плечо и предплечье имеют ЦТ в том месте, отрезки от которого до проксимального и дистального концов этих звеньев относятся примерно как 4:5. Центр же тяжести кисти с несколько согнутыми пальцами расположен на 1 см проксимальнее головки третьей пястной кости.

Зная положение ЦТ каждой из двух частей тела, сочленяющихся между собой (плеча и предплечья, бедра и голени и др.), нетрудно определить положение общего для них центра тяжести (см. рис. 2.9). Он находится на прямой, соединяющей ЦТ каждого из звеньев, и делит эту прямую в отношении, обратно пропорциональном их массам. Посредством преобразования двухзвеньевых систем можно определить положение ОЦТ тела.

Для определения ОЦТ, а также для определения его траектории В.М. Абалаков предложил прибор (рис. 16.26).

Рис. 16.26. Прибор В.М. Абалакова для определения расположения ОЦТ человеческого тела по рисунку с кинограммы

Устойчивость тела определяется величиной площади опоры, высотой расположения ОЦТ тела и местом прохождения вертикали, опущенной из ОЦТ, внутри площади опоры (см. рис. 16.25). Чем больше площадь опоры и чем ниже расположен ОЦТ тела, тем больше устойчивость тела.

Для определения центра масс J.L. Parks (1959) предложил метод рассечения, который позволил определить центр каждого сегмента, массу и положение центра масс (рис. 16.27).

Рис. 16.27 .- Расположение центра тяжести сечения туловища

(линия вдоль середины тела) (по J.L Parks, 1959).

В процентах указано положение центра тяжести среза по отношению

к его передне-заднему диаметру

Для исследования площади опоры подошвенную поверхность стопы (стоп) смазывают краской, для чего пациент становится на ровную поверхность, покрытую тонким слоем краски, а затем осторожно переходит на лист чистой бумаги. По отпечаткам стоп можно судить о своде стопы и характере распределения нагрузки на стопу (см. рис. 16.20). Методом отпечатков определяют особенности и характер походки (см. рис. 16.20).

Анализ походки по следу, оставленному на бумаге, производят путем измерения угла шага (угол, образованный линией передвижения и осью стопы), ширины шага (расстояние между отпечатками края пятки одной и той же ноги (рис. 16.28).

Рис. 16.28. Анализ ходьбы и бега по отпечаткам стоп

Хорошая осанка создает оптимальные условия для деятельности внутренних органов, способствует повышению работоспособности и, конечно, имеет большое эстетическое значение. Характеристику типов осанки можно дать по результатам гониометрии позвоночного столба (рис. 16.29) и визуально.

Рис. 16.29. Гониометрия позвоночного столба.

Лордозоплеческолиозометр (а). Прибор Билли-Кирхгофера (б). Прибор П.И. Белоусова (в). Г- схема измерения глубины шейного (а) и поясничного (б) изгибов

Гониометрия - метод регистрации относительных движений частей тела: в качестве датчиков угловых перемещений в суставах используются электрические переменные сопротивления (потенциометры) или угломеры (на шарнире, или с выдвижными браншами, или дисковой). Наиболее широкое применение находит циркуль-гониометр В.А. Гамбурцева.

При помощи гониометрического метода легко осуществляется комплексное измерение кривизны и движений позвоночника, углов наклона таза, амплитуды движений суставов конечностей, деформацию конечностей и др.

Характер изменения во времени суставных углов ноги в плоскости, близкой к сагиттальной, показан на рис. 16.30.

Циклография - способ регистрации движений человека. При циклографии последовательные позы движущегося человека (илиодной из его конечностей) регистрируются на одной и той же фотографической пленке. Для этого исследуемый надевает костюм из черной неблестящей ткани. На местах соответствующих суставах и в некоторых других точках тела закрепляют небольшие электрические лампочки. Перемещение исследуемого оставляет след на фотопленке. При этом каждой светящейся лампочке на пленке соответствует своя световая траектория в виде линии.

Рис. 16.30. Гониограммы, динамограммы, перемещение точки приложения равнодействующих сил к стопе и временная структура шага при беге. Темп - 149 шагов в 1 мин, длина шага 1,21 м, скорость бега 10,8 км/час.

Обозначения те же, что и на рис. 15.22 (по В.А. Богданову, B.C. Гурфинкель, 1976)

Для определения скорости движений отдельных звеньев тела перед фотокамерой помещают вращающийся диск с одним или несколькими отверстиями. Вращаясь с равномерной скоростью перед объективом фотокамеры, диск дробит световые траектории лампочек на определенные точки, отстоящие друг от друга на одинаковые интервалы времени.

Обрабатывая циклограмму по методу Н.А. Бернштейна, можно подробно анализировать движения тела человека и его отдельных звеньев в пространстве и времени. Это позволяет не только выявлять действительные и относительные перемещения тела и его отдельных пунктов (сегментов), но и определять скорости и ускорения этих перемещений как по продольной, так и по вертикальной составляющим.

Циклограммы позволяют видеть целостное пространственное движение тела, образующееся в результате сложения угловых движений множества звеньев тела относительно друг друга.

На рис. 16.31 и рис. 16.32 приведены циклограммы идущего и бегущего человека.

Стабилография. По существу, устойчивость - это способность человека размещать общий центр масс так, чтобы его проекция на горизонтальный участок опоры попала на площадь, ограниченную стопами. Удержание вертикальной позы - это мышечная координация циклических движений тела. При этом тело колеблется и площадь, описываемая ОЦМ, может превышать площадь опоры. При проведении пробы «устойчивость» стабилограмма снимается в течение 30 с, при этом испытуемого просят встать на платформу и постараться самостоятельно сохранять вертикальное положение тела (вначале 30 с с открытыми глазами, а затем 30 с - с закрытыми). На рис. 16.33 представлены статокинезиграммы.

Анализ статокинезиграмм (СКГ) предусмотрен по следующим характеристикам.

1. Математическое ожидание координат ОЦТ (ОЦМ) по математическому ожиданию положения центра давления М x ± σ x , М у , каждая координата со своим средним квадратичным отклонением .

2. Длина кривой (длина траектории движения ОЦМ) – L, (м,мм).

3.Площадь СКГ – S, (м 2 , мм 2).

4. Время перемещения - t, (с).

5. Скорость (средняя скорость перемещения ОЦМ) (м/с, мм/с).

6. Радиус отклонения ОЦТ (ОЦМ) - R, (м, мм).

7. СKO радиуса - (м, мм).

8. Отклонение ОЦТ, D х, D у (м, мм).

9. Коэффициент асимметрии

Рис. 16.31. Основные результаты циклографирования ходьбы человека

(по Н.А. Бернштейн и др., 1940).

а - циклограмма двух двойных шагов (вид справа), время между точками равно 1 /90 с. Линиями показаны положения звеньев тела в характерные моменты изменения опорных реакций

Рис. 16.31, б - схема расположения основных моментов изменения опорных реакций на временной структуре ходьбы. Восклицательные знаки при буквенных обозначениях, перенесенных с рис. А, отмечены точками «своей» ноги

Рис. 16.31, в - инерционные силы (ординаты), действующие в звеньях правой ноги при ходьбе (направления действия условно совпадают с направлениями ускорений в центрах тяжести звеньев). Три кривые вверху (сверху вниз): вертикальные составляющие сил в бедре, голени и стопе, вычисленные по приведенной циклограмме. Две кривые внизу (сверху вниз): продольные составляющие сил в голени и стопе, полученные в другом эксперименте. Буквами обозначены основные экстремумы сил, причем буквой п обозначены минимумы, а индексом при п повторено обозначение максимума, предшествующего данному минимуму, h - задний и v - передний толчки ноги (максимумы силы опорной реакции), т - момент вертикали (минимум опорной реакции), z -максимальное и k - минимальное ускорение центра тяжести тела. Цифровыми индексами у букв помечены обозначения волн на экстремумах (непрерывные вертикальные линии), штриховыми индексами у букв - весьма изменчивые вспомогательные экстремумы

Рис.16.32. Циклограммы бега человека (по Н.А.Берштейн и др.,1940).

а- циклограмма двойного шага в спортивном беге (вид справа), время между толчками равно 1/187 с. линиями показаны положения звеньев тела при основных экстремумах инерционных сил

Рис. 16.32, б - инерционные силы (ординаты), действовавшие в звеньях ноги в данном эксперименте (направления действия условно совпадают с направлениями ускорений в центрах тяжести звеньев). Сверху вниз - вертикальная и продольная составляющие сил в бедре, ниже - аналогичные составляющие силы в голени, в самом низу - в стопе. Система обозначений та же, что и на рис. 16.31

Рис. 16.33. Статокинезиграммы пациента с открытыми и закрытыми глазами при пробе Ромберга

Помимо анализа статокинезиграмм (СКГ) предусмотрено получение гистограмм, характеризующих статистическое распределение величин отклонения ОЦМ в обоих направлениях и спектральный анализ колебании тела испытуемого. Обработка гистограмм и спектральный анализ проводятся с применением методов, изучаемых в основном курсе медицинской и биологической физики.

Для исследования вестибулярного аппарата проводят специальные координационные пробы и пробы с вращением: вращение в кресле Барани, проба Ромберга и др.

От состояния вестибулярного анализатора в большой мере зависит ориентирование в пространстве, а также устойчивость тела. Это особенно важно в некоторых сложных видах спорта (акробатика, гимнастика, батут, прыжки в воду, фигурное катание и др.).

Проба Ромберга (Romberg). Тест для определения изменения проприорецепции. Проба Ромберга проводится в четырех режимах (рис. 16.34) при постепенном уменьшении площади опоры. Во всех случаях руки у обследуемого подняты вперед, пальцы разведены и глаза закрыты. По секундомеру засекается время сохранения равновесия в течение 15 с. При этом фиксируются все изменения - пошатывание тела, дрожание рук или век (тремор).

Рис. 16.34. Определение равновесия в статических позах

Тест Яроцкого. Тест позволяет определить порог чувствительности вестибулярного анализатора. Тест выполняется в положении стоя с закрытыми глазами, при этом спортсмен по команде начинает вращательные движения головой в быстром темпе. Фиксируется время вращения головой до потери спортсменом равновесия. У.здоровых людей время сохранения равновесия в среднем 28 с, у тренированных спортсменов - 90 с и более, особенно у тех, кто занимается акробатикой, гимнастикой, прыжками в воду и др.

Треморография. Тремор - гиперкинез, проявляющийся непроизвольными, стереотипными, ритмичными колебательными движениями всего тела или его составных частей. Запись тремора осуществляется с помощью сейсмодатчика на ЭКГ-аппарате. На палец испытуемому надевается индукционный сейсмодатчик. Механические колебания (тремор) руки и пальца, преобразованные в электрические сигналы, усиливаются и регистрируются на ленте электрокардиографа (рис. 16.35). Запись производится в течение 5-10с. Затем анализируется форма полученной кривой по амплитуде и частоте. При утомлении и возбуждении амплитуда и частота тремора увеличивается. Улучшение тренированности сопровождается, как правило, снижением величины тремора, а также при уменьшении или исчезновении боли.

Рис. 16.35. Треморограммы: а - до тренировки, б - после тренировки

Актография - это исследование двигательной активности человека во время сна. Запись актограмм осуществляется на электрокимографе, где в качестве воспринимающей части применяется велосипедная камера длинной 1,5 м, давление в которой составляет 15-20 мм рт. ст. Камера соединяется резиновой трубкой с капсулой Марея. Чернильными писчиками производится запись актограммы на бумаге. При анализе актограмм учитывается продолжительность засыпания, длительность состояния полного покоя, общее время сна и другие составляющие. Чем выше показатель покоя, тем лучше сон.

При утомлении (переутомлении), неврозах, болях и других состояниях происходит нарушение сна (рис. 16.36).

Рис. 16.36. Актограммы: а - при переутомлении, б - после приема кислородного коктейля и проведенного специального восстановительного массажа с аэроионизацией

Для определения поверхности тела по данным измерения длины и массы тела (рис. 16.37) существуют номограммы. Поверхность тела является в значительной степени интегрирующим признаком физического развития, имеющим высокую корреляционную связь с многими важнейшими функциональными системами организма.

Расчет величины поверхности тела (S) по Дюбо: S = 167,2 , где М - масса тела в килограммах; Д - длина тела в сантиметрах.

Соотношение массы и поверхности тела ребенка в зависимости от возраста приведено в табл. 16.1.

Определение толщины кожно-жировых складок у детей и подростков. Измерение по Л.С. Трофименко производят калипером Беста с постоянным давлением 10 г/мм 2 (рис. 16.38). Толщину складки измеряют в десяти точках тела: щека, подбородок, грудь I (по передней подмышечной линии на уровне подмышечной складки), задняя поверхность плеча, спина, грудь II (по передней подмышечной линии на уровне X ребра), живот над гребнем подвздошной кости, бедро, голень. Толщину каждой складки измеряют 3 раза и полученные данные складывают.

У девочек кривая суммы складок в возрасте от 7 до 17 лет неуклонно возрастает; у мальчиков пик нарастания кривой приходится на возраст 10- 12 лет, затем наблюдается тенденция к некоторому ее снижению. Сопоставление полученных величин с массой тела ребенка позволяет судить о преимущественном развитии жировой ткани или костно-мышечной системы.

Рис. 16.37. Номограмма для определения поверхности тела по росту и массе тела (по Дю Буа, Бутби, Сандифорду)

Для точной оценки движений человека используют измерительную аппаратуру. Измерительные приборы должны соответствовать требованиям точности, стабильности, устойчивости, изоляции токоведущих частей и механической добротности.

Все измерительные системы включают в себя датчики биомеханических характеристик с усилителями и преобразователями, каналы связи и регистрирующее устройство (запоминающее и воспроизводящее).

Рис.2. Схема состава измерительной системы.

Датчик – первое звено измерительной системы, воспринимает изменения показателя. Закрепляется на теле человека или вне его.

Датчик, закрепленный на теле человека, должен иметь минимальный вес и не стеснять движения. Это, например, маркеры суставов, электромиографические электроды, датчики суставного угла или ускорения. Датчики также размещают на инвентаре, снарядах, покрытиях, на которых выполняется упражнение

Усилитель характеризуется коэффициентом усиления.

Информация от датчиков передается по телеметрическому каналу .

Зарегистрировать информацию можно (результат регистрации – график, магнитная лента):

а) индикаторы (тепловые, световые, химические);

б) счетчики (механические, электронные и др.);

в) самописцы (перьевые, струйные, тепловые);

г) осциллографы (шлейфные и электронные).

Метод тензодинамометрии (сконструирован А.Б. Абалаковым) позволяет зарегистрировать и измерить усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений. Спортсмен оказывает механическое воздействие на снаряды и покрытие, которые в результате этого деформируются. Величину деформации можно зарегистрировать с помощью тензодатчиков, наклеенных на упругий элемент.

Используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензодатчики. Для измерения трех составляющих усилия их наклеивают на три взаимно перпендикулярные плоскости. В качестве измерительного и регистрирующего устройства используют осциллограф. Наиболее распространены динамографическая платформа для трехкомпонентной записи опорного давления.

Метод акселерометрии позволяет зарегистрировать ускорения движения тела и его звеньев. Состоит из датчиков ускорения, наклеенных на тело человека или на снаряд, усилительной аппаратуры и регистрирующей аппаратуры (осциллограф или магнитофон). Для ориентации вектора ускорения используется синхронизированная двух- или трехплоскостная видеосъемка.

Метод электрогониометрии предназначен для измерения величины суставных углов при движении тела человека. Он предназначен для измерения подвижности и изменения углов во времени.

Гониометр состоит из двух тонких стержней, концы которых соединены шарниром. Между планками закреплен электрический преобразователь. Через проводную связь информация поступает на усилитель, преобразователь и регистратор. Запись изменения углов называется гониограммой. Запись информации от нескольких углов называется полигониометрией.

Близкими к этому методу являются ангулография (запись углов сгибания и разгибания нижних конечностей), ихнографии и подографии (запись следов при ходьбе и беге)

Рентгенографический метод позволяет определить теоретически допустимую амплитуду движения, рассчитав ее на основании рентгенологического анализа строения сустава.

Метод электромиографии – способ регистрации и анализа биологической активности мышц. Позволяет изучить активность отдельных мышц, длительность работы и согласованность в работе мышц с помощью регистрации разности потенциалов. Установка состоит из электродов, наложенных на кожу над соответствующей мышцей, усилителя биопотенциалов и регистрирующего устройства.

Метод стабилогрфии используется для определения колебания ОЦТ тела при попытке сохранения равновесия.

Электромеханический спидограф или фото- (лазеро-) электрическая установка для определения скорости одиночных движений.

Самым простым из них является электромеханический спидограф , состоящий из лентопротяжного механизма с отметчиками времени и расстояния. К ним присоединена через катушку с тормозом леска, другой конец которой крепится к поясу спортсмена. Во время бега (или плавания, гребли и т.п.) вытягивание лески приводит к замыканию контактов, и писчики отмечают на ленте время (через каждые 0,02 с) и расстояние (через 1 м).

Более предпочтительной в этом смысле является фотоэлектронная установка . Она состоит из фотоэлементов, усилителя и регистрирующего устройства (электронных часов, осциллографа, самописца и т.п.). Фотоэлектронные датчики располагаются в определенных точках дистанции (например, через каждые 3 м для бега на 30 м или через каждые 5 м для бега на 100 м); при пересечении линии датчиков изменяется их освещенность, и ВИУ срабатывает.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ

Постановка задачи и выбор методик исследования. Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

Расчетные методы (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Постановка задачи и выбор методик исследования.

Биомеханика как естественная наука в значительной мере базируется на экспериментальном исследовании изучаемых явлений. В самом исследовании выделяют три последовательных этапа: измерение биомеханических характеристик, преобразование результатов измерения, биомеханический анализ и синтез. Использование вычислительной техники позволяет выполнять эти действия одновременно.

Для количественной оценки того или иного явления используются только объективные (инструментальные) методы исследования.

Конкретный метод выбирают исход из задачи и условий проведения эксперимента. В биомеханике к методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляются следующие основные требования:

- метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;

- метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результаты и мешать испытуемому.

При проведении исследования желательно придерживаться принципа объективной срочной информации (В.С. Фарфель, 1961), то есть информации о главном факторе спортивного движения должна поступать либо во время выполнения движения, либо сразу после его окончания.

Выбор метода исследования в первую очередь определяется характером изменения контролируемой величины во времени. По этому признаку биомеханические характеристики могут быть разделены на биомеханические параметры и биомеханические переменные.

Биомеханические параметры – это такие характеристик, значения которых не изменяются в течение всего процесса измерения (например, масса тела, момент инерции и координаты ОЦТ в фиксированной позе, вес снаряда). Величина параметров может быть неизвестна, но она не изменяется.

Биомеханические переменные – это характеристики, величина которых в процессе измерения меняется, как правило случайным образом (силы, ускорения, координаты и т.п.).

Требования к точности измерений в биомеханике спорта, прежде всего определяются целью и задачами исследования, а также особенностями самого движения. Считается достаточным, если погрешность при измерении не превышает ±5%.

Преобразование результатов измерений применяется для повышения точности полученных результатов (статистическая обработка) и определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Расчетные методы базируются на использовании законов механики (статики и динамики точки, тела, системы тел), а также статистических данных о геометрии масс тела человека. Эти данные могут быть представлены в виде таблиц, характеризующих связь массы отдельных сегментов тела человека с его общим весом (весовые коэффициенты); характеризующих связь длины сегмента с расстоянием до его ЦТ (радиусы центров тяжести). Эти данные могут быть представлены также в виде коэффициентов регрессии (парной и множественной) .

Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

В основе инструментальных методов биомеханического контроля лежат измерительные системы. Типовая схема измерительной системы состоит из шести блоков.

1. Объект измерения.

2. Воспринимающее устройство.

3. Преобразователь.

4. Вычислительное устройство.

5. Передающее устройство.

6. Индикатор (записывающее устройство).

Воспринимающее устройство или датчик. Его основное назначение – восприятие физических величин. При исследованиях в спорте чаще всего используются следующие датчики.

Фотодиоды (или фотоэлементы). Используются для измерения временных отрезков.Их входная величина – освещенность, выходная – постоянный ток. Фотодиоды чувствительны в диапазоне от 0 до 500 гц и имеют погрешность в 1-3%, что недостаточно при особо точных измерениях.

Реостатные датчики (потенциометры). Используются для измерения линейных и угловых перемещений, могут использоваться для измерения усилий. Входная величина потенциометра – угловое перемещение, выходная – изменение сопротивления. У него сравнительно небольшая погрешность, высокая чувствительность.

Тензорезисторы. Используются для измерения усилий. Использование тензорезисторов позволяет превратить любой спортивный снаряд в средство для изучения движения. В основе действия тензорезисторов лежит тот же физический принцип, что и у реостатных датчиков – изменение геометрических размеров проводников вызывает изменение электрического сопротивления датчика. R = r l / q – сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению и длине проводника, и обратно пропорционально площади его сечения. Изменения длины и площади сечения в пределах упругости материала пропорциональны силе действия. Входная величина тензорезисторов – перемещение, выходная – изменение сопротивления. К достоинствам этих датчиков относятся: малая погрешность измерений, устойчивость к вибрациям. К недостаткам – низкая чувствительность, необходимость тщательного приклеивания. Наиболее существенной для тензорезисторов является температурная погрешность.

Акселерометры предназначены для измерения ускорений. Линейные ускорения точек тела человека изменяются весьма значительно (например, при замахе и ударе по мячу – от 200 до -1000 м/с 2). Поэтому для достижения максимальной точности измерений акселерометры подбираются по своим характеристикам для измерения вполне конкретных классов движений.

Применение акселерометров ограничивается тем, что датчик измеряет не ускорение движения тела, а равнодействующую линейного ускорения и ускорения силы тяжести. Для определения искомого ускорения надо знать ориентацию датчика относительно вертикали в каждый момент времени, то есть измерение должно сопровождаться стереокиносъемкой. Но при изучении ударных движений это не обязательно.

Электроды – игольчатые и накожные – предназначены для снятия биопотенциалов с работающих мышц.

Преобразователи (они же блок питания датчиков и усилители) могут быть самыми различными – от самодельных устройств до стандартных многоканальных. Позволяют усиливать сигналы с датчиков до уровня, достаточного для использования регистрирующего прибора.

Вычислительное устройство сравнивает сигнал с эталоном (калибровочным сигналом) и по проводам или с помощью радиотелеметрии передает результат на индикатор, либо записывающее устройство.

В некоторых случаях измерительная система не включает в себя вычислительное устройство и анализ материалов производится отдельно с использованием полуавтоматических дешифраторов или даже вручную. В таких случаях о соблюдении принципа срочной информации говорить не приходится.

Для регистрации данных могут использоваться самописцы (например, электрокардиограф), пишущие осциллографы, печатающие устройства. Они обладают своими достоинствами и недостатками. Так у самописцев при записи быстротекущих процессов может быть слишком большая инертность. Светолучевые (шлейфные) осциллографы лишены этого недостатка, но зато обработка пленки занимает много времени и есть опасность испортить кинопленку при обработке (да и раздобыть такую пленку не так просто). Запись сделанную ультрафиолетовым лучом на фотобумаге УФ не надо обрабатывать, но саму запись не увеличить для дешифровки.

Экспериментальные методы определения биомеханических параметров (оптические и оптико-электронные, механоэлектрические, измерения временных интервалов, комплексные).

Для регистрации биомеханических параметров используются методы, заимствованные из многих областей знаний. Эти методы удобно разбить на оптические, оптико-электронные, механоэлектрические, комплексные.

Оптические методы регистрации движений. В зависимости от задач исследования могут применяться:

1. 1. Обычная фотография для определения структуры позы.
2. 2. Фотография с многократной экспозицией – для получения информации о движениях в плоскости съемки. При использовании этих видов фотосъемки тремя синхронизированными аппаратами получают изображение объекта в трех плоскостях.
3. 3. Циклографическая (стробографическая) съемка. Производится через обтюратор или с использованием пульсирующих маркеров, а также источников света. Позволяет получить готовый достоверный промер движения.
4. 4. Стереостробофоторафия. Ее достоинством является документальная точность локализации точек в кадре по трем координатам в последовательные моменты времени, интервалы между которыми заданы электронным, а не механическим устройством.
5. 5. Киносъемка – общедоступный информативный педагогический и биомеханический метод исследования движений в спорте. В зависимости от скорости протяжки пленки аппаратура делится на стандартную (24 к/с), «лупу времени» (до 300 к/с), и специальные высокочастотные (до 5000 к/с) кинокамеры.

Фото- и кинопленка является материалом для расчетов механических характеристик движения, точность которых зависит от достоверности снятия исходных координат, что в свою очередь, является следствием правильности организации съемки.

Испытуемый должен быть в плотно облегающем костюме с контрастными метками над осями суставов. Место исследования выбирают исходя из размаха перемещений объекта. Освещение должно обеспечивать достаточную кратковременность экспозиции. Для уменьшения искажений по краям снимка используют длиннофокусные объективы. Оптимальное расстояние между объективом и объектом (Е 0) определяется по формуле:

Е 0 = V F k / C f , где V – скорость объекта, м/с, F – фокусное расстояние, см, k – отношение времени экспонирования ко времени смены кадров, С разрешающая способность аппарата, см, f – частота киносъемки, к/с.

Оптико-электронная регистрация движений преимущественно осуществляется с помощью видеозаписи. В этом случае движения могут быть сразу же воспроизведены на экране и использоваться для прикладного педагогико-биомеханического анализа. Однако для количественной оценки техники обычные видеомагнитофоны не подходят из-за низкой разрешающей способности. В связи с этим созданы специализированные видеомагнитофоны (так называемое Speed - Video ). В комплексе с вычислительным устройством они позволяют давать срочную количественную оценку движений.

По материалам кино- и видеосъемки, проведенной с соблюдением всех технических требований к их организации, можно определить ряд механических характеристик положения или движения тела. Обычная фотография или кадр пленки является документом для определения в плоскости съемки следующих показателей.

1. координат центров тяжести звеньев или ОЦТ тела;
2. моментов сил тяжести звеньев;
3. суставных углов;
4. моментов и углов устойчивости;
5. моментов инерции звеньев и тела.

Анализ нескольких кадров связан с прослеживанием этих же характеристик во времени.

Зависимость координат точек тела от времени представляет закон их движения в выбранной системе координат. Эти данные необходимы для количественной оценки качества движений. Динамика суставных углов, моментов сил тяжести и условий работы мышц составляет предмет анализа движений человека как биомеханической системы, управляемой ЦНС. Изменения момента инерции тела раскрывает механизм построения сложных вращательных движений.

Механоэлектрические методы определения биомеханических характеристик. Оптические и оптико-электронные методы исследования не позволяют (за редким исключением) проводить количественную оценку движения сразу после измерения, так как получению конечного результата предшествуют этапы химической обработки материалов (не всегда) и расчета по ним биомеханических характеристик. Это существенно ограничивает возможность использования результатов исследования в тренировочном процессе. Механоэлектрические методы в значительной мере свободны от этого недостатка. Они заключаются в преобразовании измеряемой механической величины в электрический сигнал и последующем измерении (или регистрации) и анализе его.

Основным преимуществом механоэлектрических методов измерения биомеханических переменных являются оперативность получения измеряемых характеристик и возможность автоматизации расчета непосредственно не измеряемых характеристик. Самым распространенных из этой группы методов является тензодинамометрия. В процессе выполнения упражнения человек механически взаимодействует с внешними телами (опорой, снарядом, инвентарем). Эти тела деформируются. Причем величина деформации как правило пропорциональна силе воздействия. Для регистрации этих деформаций чаще всего используются тезодатчики, но могут применяться и реостатные датчики.

В большинстве случаев тензометрическая аппаратура используется непосредственно для определения силовых характеристик спортивных движений и изучения на этой основе динамической структуры двигательных действий.

Широкое распространение получили тензоплатформы – устройства, позволяющие определять взаимодействие человека с опорой при отталкивании. Составляющие реакции опоры (вертикальная и горизонтальные) регистрируются независимо от точки контакта с прибором.

Стабилометрия. С помощью тензометрической аппаратуры можно исследовать также перемещение точки приложения усилия к тензоплатформе. Такое перемещение может происходить как из-за передвижения испытуемого, так и из-за изменения положения его ОЦТ при перемене позы. Для этих измерений требуется многокомпонентная тензоплатформа, с помощью которой измеряются отдельно составляющие реакции во всех опорах, установленных по углам платформы.

Акселерометрия. Одной из наиболее важных характеристик движения является линейное ускорение. определять его также можно также с помощью тензометрической аппаратуры. В данном случае тензодатчик регистрирует деформацию упругой пластины, связанной с движущимся объектом. Так как масса датчика (m ) и упругость пластины (C ) величины постоянные, то перемещение массы датчика относительно объекта будет пропорционально линейному ускорению объекта. Параметры акселерометра подбираются таким образом, чтобы собственная частота колебаний датчика, была в 3-4 раза больше максимальной частоты изучаемого процесса.

Гониометрия – измерение у человека углов в сочленениях тела. Суставной угол является важной биомеханической характеристикой, например при определении программы позы. От суставного угла зависит сила тяги мышцы (то есть ее длина и ее плечо относительно оси сустава).

Для непосредственного измерения суставных углов применяются механические и электромеханические гониометры. В последних используются реостатные потенциометры. Корпус потенциометра жестко связывается с одной из планок гониометра, а с другой – его ось.

Механография – запись движения. Осуществляется также с помощью потенциометров. Перемещающаяся точка соединяется малорастяжимой нитью с осью датчика. Движения с большой амплитудой могут быть зарегистрированы, если на ось потенциометра надеть кольцо (блок) соответствующего диаметра.

Электромиография – способ регистрации электрической активности мышц. Позволяет получать информацию непосредственно при выполнении физического упражнения. Можно выделить три основных направления использования электромиографии для изучения двигательной деятельности человека. 1. Характеристика активности отдельных двигательных единиц мышц. 2. Определение активности отдельных мышц в различных двигательных актах. 3. Характеристика согласования активности мышц, объединенных общим участием в движении. Для решения биомеханических задач используются главным образом второе и третье направления. При использовании электромиографии для изучения спортивных движений обычно применяются накожные электроды, но иногда используют и игольчатые. Накожные электроды могут быть моно- и биполярные. В любом случае электромиограмма может отражать электрическую активность тех мышц, над которыми находятся электроды, либо (при монополярном отведении) активность мышц, которые находятся между активными и индифферентными электродами.

Следует учитывать, что регистрируемая величина биопотенциалов зависит от трех факторов. От положения электродов относительно мышцы – при расположении вдоль волокон, а также вблизи от двигательной точки (место входа нерва в мышцу) потенциалы больше. От электропроводности кожи – кожу следует обезжиривать эфиром. От формы и размеров электродов – следует пользоваться одними и теми же или, в крайнем случае, одинаковыми.

В любом случае электромиограмма может использоваться как показатель состояния механизмов координации движений в качестве эквивалента механических явлений (напряжения, тяги), возникающих в мышце при ее возбуждении. Н.В. Зимкин и М.С. Цветков (1988) показали, что по сглаженной электромиограмме можно судить об участии в движении мышечных волокон разного типа (быстрых, промежуточных и медленных), а следовательно и о составе мышцы. Сглаженную электромиограмму проще обрабатывать, чем натуральную, по сглаженной электромиограмме можно рассчитывать скорость возбуждения мышцы .

Методы измерения временных показателей. Если траектория известна заранее, а амплитуда движения велика (несколько метров), то регистрировать время прохождения отрезков можно с помощью фотодатчиков. Сигналы от датчиков либо выключают электросекундомеры (каждый датчик – свой секундомер), либо регистрируются самописцем (осциллографом). В последнем случае точность метода определяется точностью отметчика времени, либо точностью лентопротяжного механизма. Степень достоверности результатов прямо зависит от числа установленных на дистанции датчиков.

Комплексные способы исследования. Целью биомеханики является исследование как физических возможностей спортсмена, так и способов решения определенной двигательной задачи. В процессе исследования необходимо выяснить закономерности построения движений, определить взаимосвязь между механическими и биологическими характеристиками, отражающими координацию движений. Эта задача является весьма сложной, так как зависимость между мышечным напряжением и движением не является однозначной, указывал Н.А. Бернштейн. Причиной движения звеньев тела является напряжение мышц, которое обусловлено как степенью возбуждения, так и степенью растяжения мышцы. Таким образом, перемещение звена изменяет длину мышцы и как следствие, ее напряжение.

Комплексная регистрация биологических и механических характеристик движения является необходимым условием изучения закономерностей управления движениями человека. Она возможна при одновременной записи электрофизиологических и биомеханических показателей движения. Когда регистрируется электрическая активность мышц и внешняя картина движения (кинограмма, циклограмма, тензодинамограмма, гониограмма, механограмма). При записи этих процессов на различные носители возникает необходимость в применении специальных устройств для синхронизации записи. Одно из таких устройств описано в [ 4, С. 60 ] .

При использовании механо- и (или) тензодинамографии задача синхронизации записей решается проще, так как они осуществляются на одной и той же ленте.

Итак, к настоящему времени доказана необходимость и исключительная ценность использования многоканальной одновременной регистрации параметров кинематики, динамики и электрической активности мышц для установления связи между различными феноменами движений и их причинами, а так же для реализации идеи оптимального управления тренировочным процессом.

Однако использование в естественных условиях с целью комплексной оценки технического мастерства спортсменов, информативных инструментальных методов (тензо-, механо-, электромиографии, киносъемки и др.) обычно связано с большими организационными и методическими трудностями.

Вместе с тем доказано, что в искусственно созданных условиях, обеспечиваемых использованием тренажера, можно получить достоверную информацию о той или иной стороне технической или физической подготовленности. Кроме того, упрощенная структура упражнения позволяет с большей вероятностью оценить характер изменения физического компонента, так как уменьшается влияние технического компонента на результат. И хотя тренажер никогда не заменит целостное движение, есть множество данных о том, что тренажерно-исследовательский комплекс может успешно решать задачи срочной достоверной информации, а также определения того состояния спортсмена, которое гарантирует ему достижение желаемого результата на соревнованиях.

Расчетные методы изучения движений (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Содержательные выводы могут быть сделаны на основании надежной достоверной информации. Отсюда следует, что методы и аппаратура, применяемые в биомеханических исследованиях, должны обеспечивать получение достоверных результатов. Это означает, что степень точности измерений должна соответствовать цели исследования, а методы и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результат и мешать испытуемому.

На первый взгляд этим требованиям вполне отвечают (косвенные измерения, механико-математическое моделирование), основанные на использовании физических закономерностей и статистических данных о геометрии масс тела человека (т аблицы и иллюстрации содержатся в ). Расчетные методы используются при решении прямой и обратной задач динамики. При этом в качестве исходных данных обычно используются кинематические или динамические характеристики, то есть анализ производится с начального или конечного звена явлений, составляющих объект биомеханических исследований (механическое движение человека, причины и проявления этого движения).

Расчетные методы часто применяются для косвенного определения биомеханических характеристик, которые по разным причинам не могут быть измерены (зарегистрированы) непосредственно, например, в условиях соревнований.

Видные биомеханики Д.Д. Донской и С.В. Дмитриев (1996) констатируют, что «…развитие точной регистрирующей аппаратуры и компьютеризация исследований двигательных актов захватили исследователей построением механико-математических моделей, очень сложных и эффективных в раскрытии тончайших деталей движения (особенно в инженерной и медицинской биомеханике)». Мы не вправе оспаривать это утверждение полностью, но эффективность применения механико-математического моделирования для решения некоторых задач биомеханики спорта подвергается сомнению многими не менее известными исследователями.

В отечественной научно-методической литературе возможности расчетных методов продемонстрированы в единичных работах, подтвердивших общеизвестные истины, например, при определении ведущих элементов техники в спортивной гимнастике (Ю.А. Ипполитов, 1997), выделении факторов, обеспечивающих результат в прыжках на лыжах с трамплина (Н.А. Багин, 1997), выявлении зависимости между кинематикой и динамикой вращений в фигурном катании на коньках (В.И. Виноградова, 1999). Авторы продемонстрировали высочайшую эрудицию, но во всех случаях расчетные результаты значительно отличались от результатов, полученных прямым измерением в аналогичных условиях.

Теоретически это объясняется тем, что в основе классических расчетных методов в биомеханике лежит гипотеза эквивалентности неживой и живой массы. Данная гипотеза предполагает, что биологическое тело не меняет своей внутренней структуры под воздействие управляющих сил и моментов, а также пребывает в неизменной позе. Если это условие не выполняется, то методы классической биомеханики становятся неприменимыми.

Экспериментальные исследования, проводившиеся в течение многих лет в лаборатории биомеханики ВНИИФКа, показали, что «…ограниченность классических расчетных методов для получения по перемещениям точек данных о величинах ускорений и сил в двигательных действиях с изменением позы, вытекает из тех обстоятельств, что в настоящее время нет возможностей для объективной оценки направлений смещения внутренних органов, масс крови и лимфы. В рамках алгоритмов расчетов также не учитывается передача сил или энергии от звена к звену или их поглощение и рассеивание» (И.П. Ратов, Г.И. Попов, 1996). Эти же авторы экспериментально подтвердили мысль Н.А. Бернштейна о том, что не существует однозначной связи между мышечным напряжением и механическим движением (так как каждое движение – результат взаимодействия активных и реактивных сил) и показали, что в биомеханических системах функция «сила-ускорение» – нелинейная, то есть значительные ускорения при перемещении масс могут не приводить к появлению усилий.

Таким образом, недостатком расчетных методов вообще и особенно механико-математического моделирования является то, что «…разработанные модели движений человека (сомнительно адекватные живому телу человека и его движениям) пытаются «начинить» среднестатистической геометрией масс и реальной кинематикой живых упражнений» (М.Л. Иоффе с соавт., 1995). «Результаты такого подхода плачевны как с научной, так и с практической точек зрения», – подчеркивает Н.Г Сучилин (1998).

Литература. 1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 57-66.

2. Зациорский В. М., Аруин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с.

3. Зимкин Н.В., Цветков М.С. Физиологическая характеристика особенностей сократительной деятельности мышц у спринтеров и стайеров // Физиология человека. – 1988. – Т.14. – № 1. – С. 129-137.

4. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ.культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – 106 с.

5. Селуянов В.Н., Чугунова Л.Г.Расчет масс-инерционных характеристик тела спортсменов методом геометрического моделирования // Теория и практика физической культуры.– 1989. – № 2. – С. 38-39.

6. Сучилин Н.Г., Аркаев Л.Я., Савельев В.С. Педагогико-биомеханический анализ техники спортивных движений на основе программно-аппаратного видеокомплекса // Теория и практика физической культуры. – 1995. – № 4. – С.12-21 .

7. Шафранова Е.И. Методы обработки биоэлектрической активности мышц // Теория и практика физической культуры. – 1993. – № 2. – С. 34-44; № 3 – С. 16-18.

8. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для ф-тов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 56-79.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (2 часа)

Шкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Задачи обработки биомеханических измерений. Обработка результатов проводится для оценки погрешности полученных данных, а также для определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Оценка погрешностей, а также их уменьшение путем дальнейшей обработки результатов измерений имеет в в биомеханических исследованиях спортивных движений первостепенное значение, поскольку специфические требования к методам исследования не позволяют применять высокоточные, но громоздкие измерения. Для решения этой задачи была разработана математическая теория ошибок измерений. Ниже в кратком виде будут даны основные рекомендации по оценке погрешностей и уменьшению их влияния на конечный результат.

Не все биомеханические характеристики могут быть непосредственно измерены с соблюдением требований, предъявляемым к методам измерения в спортивных исследованиях. Но использование функциональной связи между искомыми и измеряемыми характеристиками позволяет, как правило, определять все интересующие исследователя биомеханические характеристики. Этот метод взят из техники, где он широко распространен, и носит название «метод косвенных измерений».

Расчет искомых биомеханических характеристик по данным косвенных измерений может производиться как в процессе измерения с использованием средств вычислительной техники, так и в процессе анализа результатов измерений после эксперимента. И в том, и в другом случае наличие погрешностей измерения накладывает определенные ограничения на методы обработки результатов косвенных измерений.

Оценка погрешности измерений и правильное, то есть выполненное в соответствии с ГОСТом, представление материалов измерений дает возможность сопоставлять результаты исследований, проводимых с помощью разных методов измерения или различными авторами. А это, в свою очередь, позволяет резко сократить число дополнительных исследований одних и тех же явлений и тем самым сократить длительность и стоимость биомеханических исследований вообще.

Погрешности измерений, классификация, источники и методы устранения. Погрешность измерения – разность результата измерения Х i и истинного значения измеряемой величины Х ист. : e = Х i – Х ист.

По способу определения различают абсолютные и относительные; а по происхождению – систематические и случайные, а также грубые погрешности (промахи).

Способ определения абсолютных погрешностей мы только что описали. Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. За истинное значение обычно принимают результат, полученный с помощью более точного метода.

Относительная погрешность часто используется при проведении комплексного контроля, когда измеряются показатели разной размерности: e отн. = e / Х i *100%. Еще один довод за использование относительной погрешности – определение относительной погрешности необходимо для оценки возможности использования данной методики для исследования конкретного движения (ошибка не должна превышать ±5,0% измеряемой величины).

Систематические погрешности – это погрешности, значение которых остается неизменным (или меняется известным образом) от опыта к опыту. Следовательно, они могут быть исключены из окончательного результата, если их величина определена путем предварительной тарировки аппаратуры перед каждым экспериментом. Различают 4 группы систематических ошибок. 1. Причина возникновения известна и величина может быть определена достаточно точно (температурная погрешность, линейка с отломанным началом …). 2. Причина возникновения известна, а величина – нет. Эти ошибки зависят от класса измерительной аппаратуры и колеблются внутри предельной допустимой величины. Класс точности (1,0, 2,0 и т.д.) означает относительную погрешность измерений в процентах. 3. Происхождение и величина ошибки неизвестны. Такие ошибки проявляются в сложных измерениях, когда не удается учесть все источники возможных погрешностей. 4. ошибки, связанные со свойствами объекта измерения. Систематический контроль за спортсменами позволяет определить меру их стабильности и учитывать возможные погрешности измерений. Иначе трудно бывает отделить значимые сдвиги (например, при утомлении) от погрешностей измерения.

Для устранения систематических погрешностей используют два способа. Первый – это тарировка аппаратуры – проверка показаний приборов с использованием эталонов во всем диапазоне возможных значений измеряемой величины. Второй способ – это калибровка – определение погрешностей и величины поправок.

Случайные погрешности вызываются неконтролируемыми, изменяющимися от опыта к опыту причинами. Случайные погрешности проявляются при одновременном действии очень большого числа не зависимых друг от друга причин, каждая из которых оказывает малое влияние на результат измерения, но в совокупности эти причины дают заметный эффект. Случайная погрешность по самой своей природе не может быть учтена и компенсирована в процессе проведения эксперимента.

Грубые погрешности (промахи) по характеру существенно отличаются от случайных. Если случайные погрешности возникают при исправной аппаратуре и правильных действиях экспериментатора, то причиной возникновения промахов являются неисправности и (или) ошибки в работе. Грубые погрешности обнаруживаются по резкому выпадению результата из общего ряда полученных чисел, что, как правило, находится в резком противоречии с физической картиной явления.

Обработка результатов прямых и косвенных измерений биомеханических параметров и переменных. Методы оценки и уменьшения случайных погрешностей измерения биомеханических параметров и переменных существенно различаются.

Обработка результатов измерений биомеханических параметров. Основным способом уменьшения случайных погрешностей при измерении биомеханических параметров является проведение повторных измерений и обработка их результатов.

Обработка результатов прямых измерений биомеханических параметров. При отсутствии точных сведений о физических причинах наблюдаемого разброса результатов измерений за наиболее вероятное значение измеряемой величины принимают оценку математического ожидания результатов измерений, то есть. Степень достоверности полученного результата можно оценить величиной интервала ± q внутри которого с заданной вероятностью α будет находиться величина: = t * S x , где t – критерий Стьюдента для числа равного n -1; S x – средняя ошибка средней арифметической.

Обработка результатов косвенных измерений биомеханических параметров. В ряде случаев интересующая нас величина не измеряется непосредственно, а вычисляется как функция измеренных значений каких-то других величин. Например, то есть. В таких случаях для расчета средней арифметической и средней ошибки средней арифметической сначала определяют наиболее вероятные значения измеряемых параметров (угла и скорости вылета) и их средние ошибки. В дальнейшем предполагается, что погрешности определения параметров малы по сравнению с их истинными значениями, а измерения каждого из параметров проводились независимо друг от друга. Это допущение справедливо для подавляющего большинства случаев биомеханических косвенных измерений. Тогда наиболее вероятное значение длины полета вычисляется по средним значениям скорости и угла вылета: . Средняя ошибка рассчитывается так: .

Обработка результатов измерения биомеханических переменных. Биомеханические переменные (координаты, скорости, ускорения) в процессе движения представляют собой случайные функции времени. Результатом их измерения являются, как правило, таблицы значений, зафиксированных через определенные промежутки времени, либо графики, начерченные самописцем (осциллографом). Повторные измерения принципиальное не могут повысить точность результата из-за вариативности движений человека. Одновременное измерение искомой переменной с помощью нескольких однотипных приборов с последующей обработкой не рекомендуется из-за громоздкости аппаратуры и влияния этого фактора на измеряемый процесс.

Относительно простым способом повышения точности измерения биомеханических переменных является использование различия частотного состава измеряемого процесса и возникших при измерении случайных погрешностей (помех), то есть при работе аппаратуры на синусоиду процесса (1) накладывается синусоида ошибки (2).

Характер погрешностей при этом можно определить путем пробных записей в случае, когда измеряемая переменная равна нулю или постоянна. Например, при отсутствии движения.

Устранить погрешности при записи можно сглаживанием сигнала с помощью фильтра, коэффициент передачи которого определяется по формуле:, где f – частота входного сигнала, R – сопротивление резисторов, С – величина емкости конденсатора. Расчеты выполняются отдельно для частоты сигнала процесса и частоты сигнала помехи, затем сравниваются коэффициенты передачи измерения и помехи.

Сглаживанию можно подвергать и табличные данные. Эта процедура обязательно применяется тогда, когда по табличным данным рассчитывают производную измеренного сигнала, то есть по координатам рассчитывают скорости и ускорения. Практически это выполняется таким образом, что перемещения, а затем разности скоростей рассчитываются не между соседними кадрами, а через 1 или более кадров.

Если результат представлен в виде графика, на котором измеряемый процесс содержит высокочастотную погрешность, то можно выполнить графическое усреднение путем нанесения средней линии между высокочастотными колебаниями процесса.

Погрешность динамических измерений определяют экспериментально с помощью проверки измерительной аппаратуры (тарировка) в условиях близких к условиям ее практического использования (по силе, скорости процесса).

Щкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Представление результатов измерений. Правильное представление результатов биомеханических измерений является важным фактором обеспечения достоверности и наглядности результатов биомеханических исследований. При представлении результатов следует придерживаться следующих правил. 1. Все записи, касающиеся исследования, должны вестись полно и аккуратно, быть вполне понятными любому достаточно квалифицированному читателю. 2. Все результаты наблюдений (измерений), а также вычисленный по ним окончательный материал следует приводить вместе с погрешностями. Для каждой величины должна быть указана размерность в соответствии системой СИ. 3. Число и его погрешность следует записывать так, чтобы их последние цифры принадлежали к одному и тому же десятичному разряду. 4. Ошибка, получающаяся в результате вычислений должна быть примерно в 10 раз меньше погрешности измерений.

При изучении биомеханических переменных результаты могут быть представлены в виде графика. Основное достоинство графика – наглядность. График должен быть таким, чтобы можно было сразу охватить вид полученной зависимости, получить о ней количественное представление и отметить наличие различных особенностей – максимума, минимума, областей наибольшей и наименьшей скоростей изменения, периодичности и т.п. При вычерчивании графика следуют правилам. 1. График строят на миллиметровой бумаге, или бумаге с координатными сетками. 2. По оси абсцисс (Х) откладывают ту величину, которая вызывает изменения других величин (время – всегда). На осях обязательно указывают обозначение и размерность соответствующей величины. 3. Масштаб графика определяется погрешностью измерения величин, отложенных по осям (либо исходя из правил группировки данных). Масштабы по осям могут быть разными. Шкала должна легко читаться, поэтому одна клетка масштабной сетки должна соответствовать удобному числу (1, 2, 5, 10 …) единиц изображаемой на графике величины. 4. На графике приводится только экспериментально определенная область изменений показателей; не следует стремиться к тому, чтобы график начинался из точки с координатами 0; 0. 5. Что касается нанесения кривой, то есть два мнения. Одни считают, что линия должна быть плавной, другие считают, что точки на графике следует соединять прямыми линиями – то есть не заходить в гипотетические области (получается ломанная линия). 6. Заголовок должен указывать, что изображено. Кривые должны быть подписаны, либо объяснены в заголовке.

Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике.

Тест – измерение или испытание, проводимое для определения состояния или способностей спортсмена. В качестве тестов могут быть использованы лишь те испытания, которые удовлетворяют следующим метрологическим требованиям. 1. Должна быть определена цель тестирования. 2. Процедура должна быть стандартизирована. 3. Должна быть определена надежность и информативность теста. 4. Должна быть разработана система оценок результатов тестирования. 5. Должен быть указан вид контроля (оперативный, текущий, этапный).

В зависимости от цели тестирования тесты могут быть разделены на несколько групп. 1. Показатели, измеряемые в покое – оценка физического состояния или определение уровня «фона» для «динамических» исследований. 2. Стандартные тесты – все испытуемые выполняют одинаковые задания, нагрузка при этом не предельная и, таким образом, нет мотивации на достижение максимального результата. 3. Тесты с максимальной нагрузкой – их результат зависит от подготовленности и от мотивации.

В зависимости от количества факторов, определяющих результат теста, различают гетеро- и гомогенные тесты. Первых большинство.

Как правило, оценка уровня подготовленности проводится с помощью батареи тестов.

Определение цели тестирования выбирается исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

Разновидности и направления комплексного контроля в спорте

(по М. Годику, 1988)

Стандартизация измерительных процедур обуславливает точность результатов контроля. Достигается тем, что режим дня накануне тестирования, разминка, исполнители, схема и условия тестирования, интервалы отдыха и двигательная установка при тестировании должны быть неизменными.

Надежность и информативность теста. Надежность теста – степень совпадения результатов при повторном тестировании одних и тех же людей в одинаковых условиях. Наиболее простым способом определения надежности является расчет коэффициента парной корреляции результатов первого и второго тестирования. Надежность теста считается приемлемой при r ³ 0.70.

Информативность (валидность) теста – свойство теста достаточно полно отражать сущность изучаемого процесса. Информативность теста можно определить логически и эмпирически. Суть логического метода состоит в логическом (качественном) сопоставлении характеристик критерия и теста. эмпирический метод заключается в проведении корреляционного анализа критерия и результата теста.

В качестве критерия могут быть использованы – 1. результат в соревновательном упражнении. 2. наиболее значимые элементы соревновательного упражнения. 3. результаты тестов, информативность которых доказана. 4. сумма очков испытуемого при выполнении батареи тестов.

При использовании в качестве критерия спортивной квалификации, сравнивают средние значения показателей у спортсменов различной квалификации (применяют t -критерий Стьюдента). Если различия достоверны – тест информативен.

Помимо надежности и информативности тесты характеризуются также стабильностью, эквивалентностью и согласованностью.

Стабильность – разновидность надежности в случае значительного разведения во времени теста и ретеста. Высокая стабильность теста свидетельствует о стабильности исследуемого качества.

Эквивалентность теста – степень совпадения результата в данном тесте с результатами в других тестах при исследовании одного и того же признака (например, подтягивания и отжимания, прыжки с места в длину и в высоту).

Согласованность тестов – независимость результатов тестирования от личных качеств исследователя. Даже при проведении инструментальных исследований кто-то может лучше мотивировать испытуемых, что и определяет величину согласованности.

Педагогическое оценивание – завершающий этап процедуры тестирования. Заключается в: 1. подборе шкалы для перевода результатов теста в очки. 2. преобразовании результатов в баллы. 3. сравнении достижений с нормами и выведении итоговой оценки.

Результаты можно просто ранжировать, но это не всегда справедливо. Поэтому нужно использовать специальные шкалы. Их может быть много. Основными считаются четыре шкалы: пропорциональная (а), прогрессирующая (б), регрессирующая (в), S -образная (сигмовидная) (г).

Выбор шкалы оценки зависит от того, в какой зоне следует стимулировать рост результатов.

В практике используют шкалы: стандартную, перцентильную, ГЦОЛИФКа.

В основе стандартной шкалы лежит пропорциональная. Стандартная шкала названа так потому, что масштабом в ней является стандартное отклонение (S ). При построении этой шкалы используется закон нормального распределения, гласящий, что все возможные значения признака содержатся в интервале (правило трех сигм для генеральной совокупности: ). В этом случае обычно выделяют следующие зоны оценки (уровни проявления исследуемого признака:

Но эта шкала не позволяет давать точную оценку явления.

Наиболее распространена Т-шкала, где Т – результат в очках, – результат i -го участника, – результат группы, S – стандартное отклонение. Эта шкала более справедлива по сравнению с простым ранжированием.

Перцентильная (процентная) шкала. В ее создании лежит следующая операция – каждый испытуемый получает за свой результат столько очков, сколько процентов соперников он опередил. Эта шкала наиболее пригодна для оценки больших групп людей. Рассчитывают какое количество результатов укладывается в один перцентиль (процент) или сколько процентов приходится на одного человека. Данная шкала внешне напоминает сигмовидную – наибольшие изменения приходятся на середину диапазона.

Шкала ГЦОЛИФКа применяется для оценки результатов тестирования одного и того же спортсмена в различные периоды цикла или этапа подготовки: n = (лучший результат – оцениваемый результат / лучший результат – худший результат) х 100 (баллов). В данном случае результат теста рассматривается не как отвлеченная величина, а в связи с лучшим и худшим результатами.

Оценка комплекса тестов. Может выполняться с использованием регрессионного анализа. Уравнение типа У= а + b 1 x 1 + b 2 x 2 +…+ b n x n позволяет определить результат в соревновательном упражнении (У) по результатам тестов (х 1 , х 2 , …). Но надо иметь ввиду, что тесты должны быть неравнозначными. Важность (весомость) теста можно определить тремя способами. 1. Экспертная оценка – для важного теста вводится повышающий коэффициент. 2. Коэффициенты устанавливаются на основе факторного анализа. 3. Количественной мерой весомости теста может быть коэффициент парной корреляции с результатом в соревновательном упражнении. Это способы получения «взвешенной» оценки тестирования.

Второй вариант оценки комплексного контроля – построение «профиля» спортсмена – то есть графическое изображение результатов оценивания в отдельных тестах батареи. График наглядно показывает сильные и слабые стороны подготовленности.

Таблицы очков. В них максимальное количество очков (1000-1200) дается за результат, превышающий мировой рекорд, а результат новички оценивается в 100 очков. Далее идет какая-то из основных шкал. Выбор чисто субъективен. Трудно сравнивать различные виды спорта. Но эти шкалы нужны для определения хода командных соревнований и их результатов, а не уровня развития того или иного признака.

Таким образом, биомеханический контроль (с точки зрения метрологии) состоит из нескольких этапов.

Определение цели тестирования исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

I. Выбор теста (тестов) – определение его (их) надежности, информативности, а также стабильности, эквивалентности и согласованности на основе изучения научно-методической литературы или с использованием методов математической статистики. Определение процедуры тестирования. Выбор аппаратуры. Определение систематической погрешности измерений.

II. Тестирование (измерение) – регистрация биомеханических процессов в ходе двигательной деятельности с использованием инструментальных методов. Борьба со случайными погрешностями.

III. Обработка результатов тестирования с использованием соответствующих методов математической статистики в зависимости оттого, что измерялось (параметры или переменные). Выявление погрешностей, борьба с ними.

IV. Представление результатов исследования в текстовой, табличной или графической форме.

V. Выбор шкалы для оценивания результатов тестирования (пропорциональная, прогрессирующая, регрессирующая, S -образная, Т-шкала, перцентильная, ГЦОЛИФКа и др.).

VI. Оценивание результатов тестирования.

Литература.

1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 10-44.

2. 2. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ. культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – С. 65-75.

3. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для факультетов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 33-56.

В настоящее время биомеханика обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции, как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма. Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.

Методы исследования, получившие наибольшее распространение в настоящее время, в клинической биомеханике могут быть классифицированы следующим образом:

I. Соматометричские: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.

II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.

III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.

Соматометрия

Анропометрия

При клиническом и биомеханическом обследовании используются методы антропометрии с целью получения информации о половых и возрастных особенностях испытуемых об особенностях строения опорно-двигательного аппарата в норме и при патологии, важной информации об осанке. Обычно перед проведением специальных биомеханических исследований измеряют рост пациента стоя и сидя, длину конечностей, амплитуду движений в крупных суставах, определяют массу его тела. При помощи отвесов производят зарисовку диаграммы стояния - проекции на горизонтальную плоскость осей суставов нижних конечностей и таза. Это дает возможность составить представление об архитектонике нижних конечностей при удобном стоянии, определить величину разворота осей суставов в проекции на горизонтальную плоскость, угол разворота стоп, расстояние между внутренними поверхностями ног на различных уровнях и т.д.

Фотограмметрия

Поверхность спины при исследовании методом компьютерной топографии. А. - норма; Б. - кифосколиоз грудного отдела; В. - гиперлордоз поясничного отдела; Г. - выступающие крыловидные лопатки.

К антропометрическим методам сбора и анализа информации относится способ изучения схемы построения опорно-двигательного аппарата в виде так называемой фотограмметрии. Кратко техника фотограмметрии состоит в следующем: обследуемому предлагают принять естественную, наиболее привычную, удобную позу стояния. Перед ним устанавливают кадровую рамку с сантиметровыми делениями по горизонтальным и одной из вертикальных сторон. Через середину рамки натянута нить, служащая отвесом. Фотографируют и для графического анализа изготавливают фотоснимки, на которых измеряют расстояние в сантиметрах между передневерхними остями таза, наклон бедер по анатомическим осям относительно вертикали, расстояние между центрами коленных суставов, наклон голеней по анатомическим осям, угол физиологического вальгуса голеней, расстояние между центрами опоры стоп. Этот метод даст возможность определить возрастные особенности схемы построения опорно-двигательного аппарата в норме и при различных патологических состояниях.

Метод оптической компьютерной топографии

Стереофоторграммметрия с мнимым базисом. Геометрическая модель стереофотографии. Координаты фиксированной точки: X=90, Y=112, Z=-24 мм.

Важную информацию о геометрии тела человека, об особенностях и нарушении осанки можно получить при исследовании специальным методом компьютерной топографии. Этот современный и самый точный метод позволяет количественно с высокой точностью определить координаты любой анатомической точки поверхности тела. Продолжительность обследования составляет 1 - 2 минуты, поэтому этот метод с успехом применяется для массовых исследований.

Кинезиологические методы

Целенаправленные движения человека (локомоции) представляют собой устойчивый паттерн движения, характеризующийся определенными кинематическими, динамическими, временными и пространственными параметрами. Вся совокупность последних может рассматриваться как биомеханическое проявление двигательного образа, который складывается для каждого конкретного человека в период постнатального онтогенетического развития и претерпевает изменения в результате изменений на любом уровне двигательного анализатора в зависимости от возраста и условий функционирова¬ния жизнеобеспечивающих систем организма. Естественно, что регистрация кинезиологических параметров движения является необходимой для его характеристики, и при нарушениях функции опорно-двигательного аппарата, и при изучении локомоции спортсмена. Наиболее достоверные сведения о движении могут быть получены с помощью оптических методов, которые обеспечивают комплексную регистрацию любого количества точек тела человека и внешней обстановки относительно пространственно-временной координатной сетки и дают информацию о кинематике исследуемых точек в форме, удобной для математического анализа. Координаты же, как известно, есть тот материал, из анализа которого может быть почерпнуто максимальное количество сведений о протекании снятого движения. Циклография (от цикла… и…графия), метод изучения движений человека путём последовательного фотографирования (до сотен раз в секунду) меток или лампочек, укрепленных на движущихся частях тела. Впервые фотографирование фаз движения было предложено в 80-х гг. 19 в. французским учёным Э. Мареем. Н.А. Бернштейн в 20-х гг. 20 в. усовершенствовал и модифицировал Ц., например он предложил кимоциклографию - съёмку на передвигающуюся плёнку. На основе анализа циклограмм - циклограмметрии - для ряда движений были получены данные о траектории отдельных точек тела, о скоростях и ускорениях движущихся частей тела, что дало возможность вычислить величины сил, обусловливающих данное движение. Эти сведения легли в основу современных представлений о принципах управления движениями человека, использованы при изучении спортивных движений, двигательных нарушений и др. К Ц. близок метод киносъёмки движений с последующей обработкой кадров наподобие циклограмм. Наиболее простым и часто применяемым на практике видом киносъемки является фотограмметрия. Эта съемка представляет собой регистрацию движений человека и объектов окружающей среды в плоскости, перпендикулярной оптической оси аппарата. При этом аппарат устанавливается так, чтобы в его поле зрения находилось все, что будет подвергнуто изучению и последующему анализу. Полученные с помощью оптических методов регистрации экспериментальные данные подвергаются математической обработке. В качестве датчиков («светящихся точек») для получения кинематических характеристик движений конечностей применяют метки или электрические лампочки, которые укрепляют на исследуемых суставах. Снаряжение испытуемого почти невесомо, поэтому оно не вносит никаких изменений в структуру двигательного образа. Конвергентная стереофотограмметрическая съемка и зеркальная циклограмметрия тождественны. Действительно, зеркальная циклограмметрическая съемка под углом а (угол между главной оптической осью киноаппарата и плоскостью зеркала - угол съемки) есть не что иное, как съемка двумя аппаратами, оптические оси которых конвергируют под углом а. Вычисление пространственных координат производится по формулам математической зависимости между пространственными координатами помещения (в случае, если съемка производится в камеральных условиях) и координатами перспективных изображений. Кроме аналитических методов, в настоящее время нашли широкое распространение различные номографические приемы, основанные на известных положениях синтетической геометрии. Номограмма, с помощью которой осуществляется обработка изоинформации, представляет собой функциональную сетку и служит для получения реальных (действительных) координат любой фиксированной точки на сегменте или суставе конечности.

Электромеханические методы

В настоящее время в биомеханических исследованиях ши¬рокое распространение получили, наряду с оптическими, и электрические методы регистрации. Это можно объяснить в первую очередь тем, что информация, представленная в виде электрических сигналов, является удобной для обработки радио- и электронными приборами. Кроме того, большинство процессов, протекающих в живых организмах, сопровождается различными электрическими явлениями, что облегчает получение информации в виде электрических сигналов.

Кинематические схемы потенциометрических датчиков для измерения амплитуды движений в суставах нижних конечностей. А - в плюснефаланговом; б - в подтаранном; В-в тазобедренном, коленном и голеностопном.

При использовании электрических методов регистрации неэлектрических величин (каковыми являются кинематические и динамические составляющие движения) в практике биомеханических исследований применяют измерение и регистрацию кинематических составляющих движения осуществляются с помощью линейных потенциометрических датчиков 2 типов: с входной функцией в виде углового и линейного механического перемещения. Потенциометрические датчики преобразуют функцию механического перемещения в аналоговый электрический сигнал, который затем регистрируется в соответствующем масштабе.

Исследование динамических составляющих движения осуществляют с помощью тензоменрических методов. В качестве тензочувствительного элемента используют различные тензодатчики - датчики давления. Тензодатчики применяются для определения вертикальных составляющих реакции опоры при ходьбе (ихнография) или для регистрации стабилограмм. Подография - регистрация времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе с целью изучения функции переката исследуется при помощи специальных датчиков, вмонтированных в подошву обуви.

Стабилограмма попеременного стояния на правой и левой ноге.

Стабилография - объективный метод регистрации положения и проекции общего центра масс на плоскость опоры - важный параметр механизма поддержания вертикальной позы. Обычно регистрируют площадь миграции общего центра масс (ОЦМ) в проекции горизонтальной плоскости, совмещенный с очерком стопы.

Клинико-физиологические методы

Информация о функциональной анатомии опорно-двигательного аппарата человека и биомеханических параметрах движения не может достаточно полно охарактеризовать весь комплекс процессов, происходящих в организме в условиях двигательной активности. С целью изучения механизма управления движениями, их энергообеспеченности в биомеханических исследованиях применяются некоторые физиологические методы. Из обширного арсенала методов современной физиологии избираются те средства функциональной оценки жизнеобеспечивающих систем организма, которые в сочетании со специальными биомеханическими методами дают возможность глубже изучить процесс формирования двигательного навыка и реакции организма па реализацию движения. В связи с этим наиболее широко в клинико-биомеханических исследованиях используются различные варианты кардиографии, электроэнцефалография, электромиография, косвенная калориметрия и другие методы функциональной диагностики.

Калориметрия.

Энергия, освобождаемая организмом в процессе жизнедеятельности, переходит непосредственно в работу механическую, электрическую, физико-химическую и т.д., при этом освобождается некоторое количество тепла. Все тепло, отдаваемое организмом, дает сумму энергетических превращений за определенный промежуток времени. Количество выделяемого тепла может быть определено непосредственно в специальной калориметрической камере, в которую помещают испытуемого. Впервые такая камера была по¬строена в 1880-1886 гг. на кафедре общей патологии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова В.В. Пашутиным. Однако в настоящее время применяется более простой метод непрямой калориметрии, который состоит в исследовании легоч¬ного газообмена и последующем пересчете количества потребляемого кислорода в единицы тепловой энергии. Теоретические обоснования метода непрямой калориметрии базируются на том, что вся энергия, освобождающаяся в процессе жизнедеятельности человека, есть результат распада (окисления) жиров, белков и углеводов. Экспериментально установлено среднее количество тепла, освобождающегося при окислении 1 г каждого из указанных веществ. Установлен и тепловой эквивалент кислорода при окислении этих веществ. Энергетические траты здорового человека складываются из: 1) основного обмена, 2) прироста обмена вследствие специфически-динамического действия принятой пищи, 3) прироста обмена в результате мышечной работы. Основной обмен составляет наименьшую интенсивность обмена веществ, которая необходима для обеспечения жизнеспособности. Энергетически он выражается в величинах теплопродукции в состоянии покоя. Основной обмен определяется не ранее, чем через 12-18 ч после приема пищи, в условиях полного мышечного и психического покоя, при температуре окружающего воздуха 18-20° С. Наиболее распространенным в настоящее время методом непрямой калориметрии является метод Дугласа - Холдена. Суть его заключается в том, что испытуемый дышит атмосферным воздухом, причем выдыхаемый воздух собирается в мешок из прорезиненной ткани емкостью 100-150 л. Количество выдыхаемого воздуха за данное время измеряется газовыми часами, а качественный состав исследуется в газоанализаторе Холдена.

Электромиграфия

Для изучения деятельности мышц в процессе выполнения двигательного акта используется электромиогоафия. Еще в 1884 г. Н.Е. Введенским описан опыт телефонического прослушивания потенциалов действия мышц человека, а в 1907 г. немецкий физиолог Н. Piper впервые зарегистрировал их с помощью струпного гальванометра. Однако практическую значимость электромиографические исследования приобрели лишь с 30-х годов после создания специализированных усилителей биопотенциалов и концентрических игольчатых электродов, позволивших не только исследовать функцию двигательной единицы, по и расшифровать значение компонентов электромиограммы (ЭМГ), снятой накожными электродами. Отведение электромиограммы в настоящее время осуществляется двумя способами: накожными и игольчатыми электродами, позволяющими избирательно регистрировать активность одной двигательной единицы. Применение накожного биполярного отведения с межэлектродным расстоянием 20-25 мм позволяет регистрировать суммарную активность многих двигательных единиц. Развитие электромиографии привело к появлению специальной области клинической электрофизиологии - клинической электромиографии, находящей широкое применение в нервной и хирургической клиниках, в ортопедии и протезировании, в клинической и спортивной биомеханике. В последние годы область применения метода электромиографии существенно расширилась за счет использования биопотенциалов мышц в качестве показателя в системах адаптивного регулирования мышечного тонуса.

История

История биомеханики неразрывно связана с историей техники, физики, биологии и медицины, а также с историей физической культуры и спорта. Многие достижения этих наук определяли развитие учения о движении живых существ. Современную биомеханику нельзя представить без законы механики, открытых Архимедом, Галилеем, Ньютоном, без физиологии Павлова, Сеченова, Анохина, так как и без современных компьютерных технологий.

Истоки биомеханики

Биомеханика - одна из самых старых ветвей биологии. Её истоками были работы [Аристотель|Аристотеля]], Галена, Леонардо да Винчи.

В своих естественнонаучных трудах «Части движения и перемещение животных», Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет назовут наукой биомеханикой. В своих научных трактатах он свойственной ему мышлением описывает животный мир и закономерности движения животных и человека. Он писал о частях тела, необходимых для перемещения в пространстве (локомоции), о произвольных и непроизвольных движениях, о мотивации движений животных и человека, о сопротивлении окружающей среды, о цикличности ходьбы и бега, о способности живых существ приводить себя в движение…

Величайшим ученым-медиком античного времени (после Гиппократа) был Клавдий Гален (131-201 гг. н.э.). В соответствии с мировоззрением античного времени, Гален понимал целостность организма. Он писал:

«В общей совокупности частей, все находится во взаимном согласии и … все содействует деятельности каждой из них».

Изучение нервов позволило Галену сделать вывод о том, что нервы по своей функциональной особенности делятся на три группы: те, что идут к органам чувств, выполняют функцию восприятия, идущие к мышцам ведают движением, а идущие к органам охраняют их от повреждения. Основной его труд - О назначении частей человеческого тела. Гален экспериментально показал, что конечность попеременно то сгибается внутренними, то разгибается наружными мышцами. Так, описывая пятую мышцу, самую большую, по его мнению, из всех мышц тела, приводящую бедро и состоящую из большой, средней и малой мышц, прикрепляющихся к внутренним и задним частям бедренной кости и нисходящей вниз почти до коленного сочленения, он, анализируя ее функцию, писал:

«Задние волокна этой мышцы, идущие от седалищной кости, укрепляют ногу, напрягая сустав. Не менее сильно это действие производится нижней порцией волокон, идущих от лобковой кости, к чему присоединяется еще легкое вращательное движение внутрь. Выше их лежащие волокна приводят бедро внутрь точно так же, как самые верхние приводят и в то же время несколько поднимают бедро»

На развитие механики в средние века оказали существенное влияние исследования Леонардо да Винчи (1452-1519 г.) по теории механизмов, трению и другим вопросам. Изучая функции органов, он рассматривал организм как образец «природной механики». Впервые описал ряд костей и нервов, особое внимание уделял проблемам сравнительной анатомии, стремясь ввести экспериментальный метод и в биологию. Этот великий художник, математик, механик и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль:

«Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Его успех как великого художника также немало зависит от биомеханической направленности его картин, - в них детально прорисована техника движения. Его наблюдения, очевидные в наши дни, в средние века были революционными. Например,

«Мускулы начинаются и оканчиваются всегда в соприкасающихся костях, и никогда они не начинаются и не оканчиваются на одной и той же кости, так как они ничего не могли бы двигать, разве только самих себя»

Леонардо, безусловно, является основоположником функциональной анатомии, составной части биомеханики. Он не только описал топографию мышц, но и значение каждой мышцы для движения тела.

Русский стиль - поддержка студии Black Ice (c) 1999-2002

Глава 3. Основы биомеханического контроля

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.

Точное знание немыслимо без меры.

Д. И. Менделеев

От интуиции - к точному знанию!

Двигательное мастерство человека, его умение в любых условиях двигаться быстро, точно и красиво, зависит от уровня физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. Эти пять факторов культуры движений являются ведущими и в спорте, и в физическом воспитании школьников, и при занятиях массовыми формами физкультуры. Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за каждым из на званных факторов.

Объектом биомеханического контроля служит моторика человека, т. е. двигательные (физические) качества и их проявления. Это означает, что в итоге биомеханического контроля мы получаем сведения:

1) о технике двигательных действий и тактике двигательной деятельности;

2) о выносливости, силе, быстроте, ловкости и гибкости, должный уровень которых является необходимым условием высокого технико-тактического мастерства (В англоязычной литературе по физическому воспитанию принят более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д.).

Можно сказать еще проще: биомеханический контроль дает ответ на три вопроса:

1) Что делает человек?

2) Насколько хорошо он делает это?

3) Благодаря чему он это делает?

Процедура биомеханического контроля соответствует следующей схеме:

Измерения в биомеханике

Человек становится объектом измерения с раннего детства. У новорожденного измеряют рост, вес, температуру тела, продолжительность сна и т. д. Позже, в школьном возрасте, в число измеряемых переменных включаются знания и умения. Чем взрослее человек, чем шире круг его интересов, тем многочисленнее и разнообразнее характеризующие его показатели. И тем труднее осуществить точные измерения. Как, например, измерить техническую и тактическую подготовленность, красоту движений, геометрию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.? Об этом рассказывается в настоящем разделе.

Шкалы измерений и единицы измерений

Шкалой измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.

Шкала наименований - самая простая из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.

Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).

Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, но интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: “плохо” - “удовлетворительно” - “хорошо” - “отлично”. Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: “больше - меньше”, “лучше - хуже”. Однако на вопросы: “На сколько больше?”, “На сколько лучше?” - шкалы порядка ответе не дают.

С помощью шкал порядка измеряют “качественные” показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).

Шкала порядка бесконечна, и в ней нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.

Шкала отношений самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами - единицами измерения 1 . Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.

По шкале отношений измеряют размеры и массу тела и его частей, положение тела в пространстве, скорость и ускорение, силу, длительность временных интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.

Шкала отношений точнее шкалы порядка. Она позволяет не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики.