Инструментальные методы контроля локомоций человека применяются в различных областях медицины, физиологии, психологии и спорте. Кинематические, динамические и электромиографические параметры количественно и качественно оценивают базисные механизмы двигательных действий человека. По этим параметрам определяют величину отклонения от нормы при двигательной патологии, позволяют внести целенаправленную коррекцию (например, при восстановлении нормальной ходьбы), оценивают нагрузку на суставной и мышечный аппарат при выполнении спортивных действий.
При анализе двигательных действий человека имеется большое количество кинематических параметров, по которым можно сравнивать локомоции, например:
- линейные скорости и ускорения суставов или центров масс звеньев тела;
- угловые характеристики движения, такие как: углы, угловые скорости и ускорения;
- длительность различных фаз движения;
- форма и площадь фазовой траектории в суставах.
При выборе кинематической характеристики сравнения локомоций необходимо, чтобы используемый признак позволял найти достоверные различия в локомоциях и отражал основные динамические составляющие анализируемого движения. По мнению большинства исследователей, «фазовая траектория» является таким показателем двигательной активности в суставе, так как при её построении используются следующие показатели: суставной угол и его амплитуда, экстремумы и профиль угловой скорости — параметры, создаваемые моментами силы тяги мышц.
Алгоритм построения фазовых траекторий угол-угловая скорость
Для расчета углов в суставах использовали продольные оси сегментов тела (рис. 1). Оси были направлены следующим образом:
- на туловище продольная ось проходила по середине тазобедренного и плечевого суставов;
- на бедре по середине тазобедренного и коленного суставов;
- на голени по середине коленного и голеностопного суставов;
- на стопе по середине голеностопного сустава и плюснефалангового сустава большого пальца.
Углы в суставах отсчитывали следующим образом: в тазобедренном суставе между продольной осью туловища и продольной осью бедра; в коленном суставе между продольной осью бедра и голени; в голеностопном суставе между продольными осями голени и стопы.
Анализировали шаг левой ногой — от постановки до постановки стопы на опору. В связи с вариативностью кинематических характеристик шага применяли методику исследования, реализованную в модуле Artical Fader, входящего в пакет программ StarTrace 2D:
- анализировали 3-5 последовательных шага правой ногой, так как это показано на рис. 2 (для углов) и 4 (для угловых скоростей);
- рассчитывали временную длительность i-того шага;
- принимали длительность i-того шага за 100%, т.е. переходили от временной к относительной длительности шага;
- интерполировали траектории углов и угловых скоростей так, чтобы в каждом шаге было ровно 50 точек (в этом случае при разной длительности шага интерполяцию проводили с разным временным интервалом);
- в каждой относительной временной точке усредняли полученные кинематические характеристики, так как это показано на рис. 3 (для углов) и 5 (для угловых скоростей);
- фазовые траектории (угол-угловая скорость) строили по усредненным кинематическим данным за 3-5 шагов.
Методику анализа кинематики локомоций с использованием фазовых траекторий применяли при тестировании локомоторных дорожек с различной жесткостью (устойчивостью) покрытия. Этот тренажер является прототипом дорожки с вибрационной изоляцией, установленной на Международной Космической Станции. С целью погашения силовых нагрузок, возникающих при выполнении стандартного комплекса физических упражнений космонавтов (бег, ходьба, приседания, прыжки), беговая дорожка снабжена виброгасящими устройствами, снижающими механическое воздействие на корпус космической станции. Исследовали ходьбу и бег в различном темпе.
Методика
Влияние устойчивости покрытия дорожки на кинематику ходьбы и бега проводили в Лаборатории нейрофизиологии ГНЦ РФ — Института медико-биологических проблем РАН.
Для биомеханической оценки влияния жесткости покрытия на кинематику ходьбы и бега использовали два типа дорожек: дорожка с жесткой поверхностью («устойчивая») и дорожка с демпфирующей поверхностью («неустойчивая») — имитатор виброгасящей дорожки на Международной Космической Станции.
На расстоянии 3 метров слева от тренажера «бегущая дорожка» была установлена регистрирующая видеокамера. Использовали нормальный случай видеосъемки, т.е. оптическая ось объектива камеры была перпендикулярна плоскости съемки. На «устойчивой» и «неустойчивой» дорожках с частотой 25 Гц регистрировали кинематику следующих локомоций: ходьбы (4 км/час), медленного (6 км/час), среднего (8-9 км/час) и быстрого бега (12-14 км/час) у восьми испытуемых. Регистрацию кинематики локомоций проводили непрерывно в течение всего эксперимента.
Записывали 3-5 последовательных локомоторных циклов ходьбы и бега в следующей временной последовательности:
- в середине второй минуты ходьбы;
- в конце второй минуты на медленной и средней скоростях бега;
- в конце первой минуты быстрого бега.
В данной статье поставлена задача ознакомления со способом анализа локомоций методом видеоанализа движений на аппаратно-программном комплексе UltraMotion Pro SPORT с помощью построения «фазовых траекторий», поэтому оценим информативность этого метода, как кинематического параметра сравнения, на примере двигательного действия: «бег со средней скоростью».
Для расчета верхней частоты среза для каждого сустава использовали показатель 90% мощности спектра сигнала. При беге необходимо использовать параметры фильтра Батттерворта, обрезающего частоты выше 4 Гц в тазобедренном суставе и 5 Гц в коленном и голеностопном. Положительная угловая скорость на рис. 4, 5 и 6 соответствует разгибанию суставов, отрицательная — сгибанию. Стрелками с подписями указаны фазы бегового шага и соответствующие им участки фазовых траекторий. Буквами «Н» и «К» отмечены начало и конец шага.
Снижение кинематической подвижности (площади) в суставах нижней конечности связано с тем, что при неустойчивой опоре сохранить равновесие сложнее, чем на устойчивой опоре. Следовательно, снижение амплитуды движения в суставах нижней конечности, представленное на рис. 6-8 в виде площади фазовых траекторий угол-угловая скорость, является отражением локомоторной стратегии, применяемой участниками эксперимента, для поддержания вертикальной позы при локомоциях на неустойчивой опоре. Отметим, что условиями сохранения неустойчивого равновесия при вертикальной позе являются: а) уменьшение амплитуды колебаний ЦМ в передне-заднем направлении; б) сохранение равновесия в голеностопном суставе (необходимое условие); в) сохранение равновесия во всех суставах нижней конечности (достаточное условие).
У шести из восьми испытуемых при беге в среднем темпе площадь фазовой траектории в голеностопном суставе на неустойчивой опоре значительно меньше, чем при локомоциях на устойчивой опоре.
Заключение
Сравнение локомоций по форме и площади фазовых траекторий в суставах нижней конечности показало, что:
- кинематический параметр «фазовая траектория» может быть различительным признаком, свидетельствующим об изменении локомоторной стратегии при изменении механических свойств опоры;
- площадь, ограниченная фазовой траекторией «угол-угловая скорость», является косвенным параметром, оценивающим сложность удержания вертикальной позы при локомоциях на тренаже с неустойчивой опорой.
| А.В.Воронов Институт медико-биологических проблем РАН, г. Москва |