Что такое биомеханика человека
Учебное пособие «Биомеханика мышц»
Учебное пособие «Биомеханика мышц» посвящено теоретическим и практическим аспектам биомеханики мышечной деятельности: классификации скелетных мышц, макро- и микроструктуре мышц, теории скользящих нитей, механике мышечного сокращения, механическим свойствам мышц, типам мышечных волокон, зависимости силы и скорости сокращения мышц от анатомических, физиологических и биомеханических факторов, результирующему действию мышц в организме человека. Отдельная глава посвящена функционированию рецепторного аппарата мышц и суставов. Пособие содержит большой фактический материал из практики спорта о морфометрических характеристиках скелетных мышц и будет полезно всем, кто интересуется вопросами биомеханики мышечной деятельности.
Учебное пособие продается в официальном магазине издательства «Кинетика». С условиями покупки и доставки можно ознакомиться на сайте издательства.
Самсонова, А.В. Биомеханика мышц [Текст]: учебно-методическое пособие / А.В.Самсонова, Е.Н. Комисарова; Под ред. А.В.Самсоновой; СПбГУФК им. П.Ф.Лесгафта. – СПб.: [б.и.], 2008. – 127 с.
Самсонова А.В., Комиссарова Е.Н.
БИОМЕХАНИКА МЫШЦ
В учебно-методическом пособии рассмотрены теоретические и практические аспекты биомеханики мышечной деятельности: строение мышц с точки зрения биомеханики; механика мышечного сокращения; зависимость силы и скорости сокращения мышц от анатомических, физиологических и биомеханических факторов; результирующее действие мышц в организме. Пособие содержит большой фактический материал из практики спорта.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по специальности: 032100 – «Физическая культура»; 050104 – «Безопасность жизнедеятельности»
Самсонова А.В. – главы: 2, 3, 4, 5, 6
Комиссарова Е.Н. – глава 1, глоссарий
СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Архитектура скелетных мышц
1.2. Макроструктура мышцы
1.3. Микроструктура мышцы
1.5. Теория скользящих нитей
1.6. Состояние мышцы
1.7. Типы скелетных мышечных волокон и их морфофункциональная характеристика
1.8. Влияние различных факторов на состав мышечных волокон
1.9. Контрольные вопросы
Глава 2. Функционирование рецепторного аппарата мышц и суставов
2.1. Рецепторы опорно-двигательного аппарата человека
2.1.1. Мышечные веретена
2.1.2. Рецепторы Гольджи
2.1.3. Рецепторы суставов
2.2. Зависимость частоты импульсации рецепторов от длины, скорости и напряжения мышцы
2.2.1. Зависимость «длина мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»
2.2.2. Зависимость «скорость растяжения мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»
2.2.3. Зависимость частоты импульсации рецепторов Гольджи от степени напряжения мышцы
2.3. Способы оценки афферентного притока, поступающего от рецепторов мышц
2.4. Уровни построения движений и рецепторы опорно-двигательного аппарата
2.5. Контрольные вопросы
Глава 3. Механика мышечного сокращения
3.1. Биомеханические свойства мышц
3.2. Трехкомпонентная модель мышцы
3.3. Функционирование биомеханической модели мышцы в простейших двигательных задачах
3.4. Контрольные вопросы
Глава 4. Факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышцы
4.1. Основные понятия
4.2. Анатомические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышц
4.2.1. Сила и скорость сократительного компонента мышцы
4.2.2. Сила и скорость сокращения мышцы в целом
4.3. Физиологические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышц
4.3.1. Физиологические механизмы регуляции силы и скорости сокращения мышцы
4.3.2. Время сокращения мышцы
4.4. Биомеханические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышц
4.4.2. Характер работы мышц
4.4.3. Значение внешней силы
4.5. Контрольные вопросы
Глава 5. Результирующее действие мышц в организме
5.1. Звенья тела как рычаги
5.2. Методы определения морфометрических характеристик мышц нижних конечностей человека
5.2.1. Моделирование ОДА человека и мышц нижних конечностей
5.2.2. Рентгенографический метод определения морфометрических характеристик мышц
5.2.3. Анатомический метод определения морфометрических характеристик мышц
5.2.4. Биомеханический метод определения морфометрических характеристик мышц
5.3. Фазовые траектории мышц &? способ представления результатов, характеризующих моторную функцию мышц
5.4. Программа расчета морфометрических характеристик мышц MORFOMETR
5.5. Контрольные вопросы
Глава 6. Функционирование мышц в спортивных движениях
6.1. Биомеханический анализ физических упражнений
6.2. Обучение двигательным действиям
6.3. Классификация физических упражнений
6.4. Сравнение основного и специальных упражнений
6.5. Оценка функциональной подготовленности спортсменов на основе анализа фазовых портретов мышц
6.6. Контрольные вопросы
ВЫДЕРЖКИ ИЗ КНИГИ
ВВЕДЕНИЕ
Учебно-методическое пособие «Биомеханика мышц» предназначено для студентов дневного и заочного отделений. Однако оно может быть использовано также магистрантами, аспирантами, преподавателями и тренерами. Это пособие может рассматриваться как дополнительное по курсу «Биомеханика» и основное по спецкурсу «Биомеханика мышц». Пособие содержит сведения о строении мышц на макро-, мезо- и микроуровнях, а также о рецепторах опорно-двигательного аппарата. В пособии подробно рассмотрены биомеханические свойства мышц и механика мышечного сокращения. Большое внимание в учебно-методическом пособии уделено факторам, обеспечивающим проявление силы и скорости сокращения мышц при выполнении двигательных действий. Так как учебно-методическое пособие предназначено для специалистов, работающих в области физической культуры, в нем приведено много сведений из практики спорта. В связи с тем, что учебно-методическое пособие предназначено для студентов как младших, так и старших курсов, мы попытались увязать новые для них факты с уже имеющимся «теоретическим багажом» студентов, который они получили при изучении таких дисциплин, как: «Анатомия», «Биохимия», «Физиология», «Математика», «Физика» а также «Теория и практика физической культуры». В этом аспекте учебно-методическое пособие «Биомеханика мышц» может рассматриваться как междисциплинарное.
Авторы стремились изложить материал предельно просто и доступно. В связи с этим, пособие содержит большое количество иллюстраций, а в конце пособия помещен глоссарий. Отзывы об учебно-методическом пособии просим отправлять по адресу:
spb_biomechanics@rambler.ru (кафедра биомеханики СПбГУФК им. П.Ф.Лесгафта).
ГЛАВА 2
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РЕЦЕПТОРНОГО АППАРАТА МЫШЦ И СУСТАВОВ
2.1. Рецепторы опорно-двигательного аппарата человека
При изучении анатомии и физиологии (А.С. Солодков, Е.Б. Сологуб, 2001) вы изучали двигательную сенсорную систему. Одним из отделов этой системы являются проприорецепторы, расположенные в мышцах, сухожилиях и суставных сумках. В мышцах расположены мышечные веретена, в сухожилиях – сухожильные органы Гольджи. В суставных сумках расположены рецепторы суставов.
2.1.1. Мышечные веретена
Еще в XIX веке В. Кюне обнаружил в скелетных мышцах структуры, напоминающие веретено. Затем, в начале XX века Нобелевский лауреат Чарльз Скотт Шеррингтон показал, что эти структуры служат чувствительными рецепторами. Мышечные веретена рассеяны по всем скелетным мышцам. Концы их обычно прикрепляются к мышечным волокнам параллельно. Каждое веретено покрыто капсулой, которая расширятся в центре и образует ядерную сумку. Внутри веретена содержатся интрафузальные мышечные волокна. Эти волокна в 2-3 раза тоньше обычных (экстрафузальных) волокон скелетных мышц.
Интрафузальные волокна подразделяются на два типа:
2.1.2. Рецепторы Гольджи
Нервно-сухожильные веретена (рецепторы Гольджи) открыл в 1903 году Камилло Гольджи. Впоследствии за эти исследования ему была присуждена Нобелевская премия. Рецепторы Гольджи располагаются в месте перехода мышечных волокон в сухожилия. Их длина составляет 0,5-1,0 мм, а диаметр – 0,1- 0,2 мм. Отдельный нервный аксон несет афферентные импульсы в спинной мозг и называется аксоном Ib. Он начинается в виде веточек, проходящих между коллагеновыми волокнами сухожилия (рис. 2.1а). Когда мышечные волокна сокращаются, коллагеновые волокна натягиваются и сжимают нервные веточки, которые начинают импульсировать (рис. 2.1б). Таким образом, в результате последовательного крепления сухожильных органов к мышечным волокнам они возбуждаются при укорочении возбужденной мышцы. Сухожильные рецепторы возбуждаются в 1,5 – 8 раз более эффективно при мышечном сокращении, нежели при пассивном растяжении.
2.1.3. Рецепторы суставов
Суставные рецепторы подразделяются на несколько типов в зависимости от их реакции на амплитуду, скорость и направление движения в суставе.
Тельца Руффини находятся в капсуле сустава и воспринимают направление и скорость изменения межзвенного угла. Частота их импульсации возрастает с увеличением скорости изменения суставного угла.
Тельца Паччини посылают в ЦНС информацию о положении отдельных частей тела в пространстве и относительно друг друга. Эти рецепторы посылают в ЦНС информацию о значениях межзвенных углов, то есть о положении сустава. Их импульсация продолжается в течение всего периода сохранения межзвенного угла, и она тем больше, чем больше изменения угла.
2.2. Зависимость частоты импульсации рецепторов от длины, скорости и напряжения мышцы
2.2.1. Зависимость «длина мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»
Реакция мышечных веретен на активное или пассивное укорочение мышцы была предсказана в 1928 году Дж. Фултоном и Дж. Писуньери на основе анатомического анализа. Поскольку веретена располагаются параллельно мышечным волокнам, частота разрядов веретенных афферентов при любом укорочении мышцы должна снижаться. В последующем это предположение полностью подтвердилось. Исследования свойств изолированных мышечных веретен, проведенные лауреатом Нобелевской премии Бернардом Катцем (B. Katz, 1950) продемонстрировали, что их растяжение приводит к деполяризации окончаний афферентных волокон. Величина деполяризации при растяжении увеличивается. При этом зависимость частоты импульсации веретенных афферентов от растяжения мышцы близка к линейной. Эту зависимость принято называть статическим ответом веретенного афферента на пассивное растяжение мышцы.
2.2.2. Зависимость «скорость растяжения мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»
Исследования свойств мышечных веретен свидетельствуют о том, что активность первичных окончаний чувствительного нерва зависит не только от длины, но и от скорости растяжения мышцы. Способность менять частоту своей импульсации в зависимости от скорости удлинения мышцы была названа динамической чувствительностью веретенных афферентов. Зависимость между скоростью растяжения мышц и частотой импульсации первичного афферента также близка к линейной.
Преобладание статического или динамического ответов у веретенных афферентов зависит от соотношения скорости растяжения и длины мышц. При малых скоростях растяжения (менее 5 мм/с) мгновенная частота импульсации первичных веретенных афферентов отражает в основном мгновенную длину мышцы. При скоростях растяжения выше 5 мм/с импульсация первичных веретенных афферентов определяется в основном скоростью растяжения мышцы. Частота импульсации вторичных афферентов зависит в основном от степени удлинения мышцы.
2.2.3. Зависимость частоты импульсации рецепторов Гольджи от степени напряжения мышцы
Исследования, проведенные на свободно перемещающихся животных в условиях стационарного режима локомоции, показали, что кривая, отражающая изменение частоты импульсации рецепторов Гольджи во времени полностью соответствует огибающей электромиограммы (рис. 2.2). При этом частота импульсации не превышает 200 имп/с.
Рис. 2.2. Зависимость частоты импульсации рецепторов Гольджи от степени напряжения мышцы при локомоции свободно перемещающейся кошки
Таким образом, рецепторы мышц адекватно реагируют на изменение длины и скорости растяжения мышцы. Связь между этими характеристиками и частотой импульсации афферентов мышечных веретен близка к линейной. Рецепторы Гольджи адекватно отражают развитие напряжения мышцы. Рецепторы суставов реагируют на положение и угловую скорость звеньев опорно-двигательного аппарата.
2.3. Способы оценки афферентного притока, поступающего от рецепторов мышц
С начала XX века и до настоящего времени накоплен богатый материал о свойствах мышечных рецепторов. В основном эти данные были получены на наркотизированных или другим способом обездвиженных животных. Затем исследования были продолжены на децеребрированных животных. Последующие эксперименты, проведенные с помощью вживленных электродов и телеметрической передачи сигналов, убедительно доказали, что у свободно перемещающегося животного разряды первичных афферентов проявляют высокую активность в фазе пассивного растяжения и очень низкую – в фазе активного укорочения.
Одновременно с проведением экспериментов на животных импульсация рецепторов мышц стала изучаться на человеке. С этой целью была разработана методика микронейрографии, суть которой заключается в регистрации афферентной активности мышц посредством тонкого игольчатого электрода, введенного в нерв. Это позволило регистрировать потенциалы действия в нерве у человека при выполнении изометрических напряжений и даже произвольных движений. Было отмечено, что непрерывная афферентная активность возникала при пассивном растяжении мышцы. При быстром движении афферентная активность уменьшалась на время укорочения мышцы. Следует, однако, отметить, что использование этой методики невозможно при исследовании быстрых, мощных высокоамплитудных движений, какими являются движения спортсменов. В настоящее время разработана методика оценки афферентной активности мышц посредством регистрации ВПСМ (вызванных потенциалов спинного мозга). Однако ее особенности также не позволяют использовать этот способ для регистрации афферентного притока при спортивных движениях. Это связано с тем, что помехи, возникающие со стороны других органов тела (сердца, мышц спины), на несколько порядков выше, чем проявляемый сигнал.
Наряду с разработкой методик, позволяющих напрямую регистрировать разряды рецепторов мышц, существуют исследования, моделирующие работу рецепторного аппарата мышц. W.Z. Rymer, J.С. Houk, P.E. Crago (1977) предложили формулу для описания зависимости частоты разрядов мышечных афферентов от степени удлинения и скорости сокращения мышц. В модели, предложенной S.S. Schafer и S. Schafer, (1969) частота разрядов мышечных афферентов зависит не только от удлинения и скорости сокращения мышцы, но и от ускорения.
Методика, позволяющая косвенно судить о функционировании рецепторного аппарата мышц и суставов при выполнении спортивных движений, разработана А.В. Самсоновой (1997). При выполнении двигательных действий можно зарегистрировать изменение межзвенных углов и электрическую активность мышц. Предлагаемая методика дает возможность в каждый момент времени иметь информацию об изменении длины мышцы и скорости ее сокращения. Кроме того, методика позволяет рассчитать значения межзвенных углов и угловое ускорение.
Выше указывалось, что мышечные веретена информируют ЦНС о длине и скорости сокращения мышц. График, у которого по оси абсцисс будет отложено значение «текущей» длины мышцы, а по оси ординат – скорости сокращения мышцы (фазовая траектория), будет нести информацию о функционировании мышечных веретен. Так, например, во время барьерного бега фазовая траектория длинной головки двуглавой м. бедра имеет следующий вид (рис. 2.3). Следует учесть, что эта мышца – двусуставная, то есть она обеспечивает движения в тазобедренном и коленном суставах.
Рис. 2.3. Фазовая траектория двуглавой м. бедра при преодолении барьера спортсменкой высокой квалификации
Электрическая активность мышц будет информировать, в какую фазу движения функционируют рецепторы Гольджи. Выше указывалось, что суставные рецепторы несут в ЦНС информацию о значениях межзвенных углов и скорости их изменения (угловой скорости). Следовательно, график, у которого по оси абсцисс будет отложены значения межзвенного угла, а по оси ординат – угловой скорости (фазовая траектория), будет нести информацию о функционировании суставных рецепторов. На рис. 2.4 представлена фазовая траектория «угол – угловая скорость» для тазобедренного и коленного суставов маховой ноги спортсменки высокого класса в барьерном беге.
Рис. 2.4. Фазовые траектории «угол-угловая скорость» при преодолении барьера
2.4. Уровни построения движений и рецепторы опорно-двигательного аппарата
В br /1947 году была опубликована книга русского ученого Н.А. Бернштейна «О построении движений». В этой книге он изложил оригинальную теорию управления двигательными действиями. В основе этой теории лежало понятие уровней построения движений. Он писал: «Каждая двигательная задача находит себе в зависимости от своего содержания и смысловой структуры тот или иной уровень. Иначе говоря, тот или иной сензорный синтез, который наиболее адекватен по качеству и составу образующих его афферентаций и по принципу их синтетического объединения требующемуся решению этой задачи. Этот уровень и определяется как ведущий уровень для данного движения» (Н.А.Бернштейн, 1991, С.41). По концепции Н.А. Бернштейна ни одно движение не обслуживается только одним уровнем, но осознается только ведущий уровень. По классификации Н.А.Бернштейна, при управлении движениями может быть задействовано пять уровней. Зависимость между скоростью растяжения мышц и частотой импульсации первичного афферента также близка к линейной.
Афферентация уровня А основана на импульсации мышечных веретен (длина и скорость сокращения мышцы) и рецепторов Гольджи (уровень возбуждения мышцы при ее укорочении). Эта информация очень слабо осознается ЦНС, то есть, по гипотезе Н.А.Бернштейна, этот уровень почти никогда не бывает ведущим.
Афферентация уровня В опирается на информацию, поступающую от суставных рецепторов. Это уровень выступает как ведущий в ряде физических упражнений, таких как наклоны тела вперед и назад, а также циклические движения. Сигналы от суставных рецепторов хорошо осознаются.
Биомеханика
Содержание
Биомеханика человека — составная часть прикладных наук, изучающих движение человека
Движения частей тела человека представляют собою перемещения в пространстве и времени, которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движения в суставах по своей форме и характеру очень разнообразны, они зависят от действия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены в целостные организованные действия, которыми человек управляет при помощи мышц. Учитывая сложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую, и биологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи.
Поскольку человек выполняет всегда осмысленные действия, его интересует, как можно достичь цели, насколько хорошо и легко это получается в данных условиях. Для того чтобы результат движения был лучше, и достичь его было бы легче, человек сознательно учитывает и использует условия, в которых осуществляется движение. Кроме того, он учится более совершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти его способности, чем существенно отличается от биомеханики животных.
Таким образом, биомеханика человека изучает, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Всякое изучение движений, в конечном счете, направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Прежде, чем приступить к разработке лучших способов действий, необходимо оценить уже существующие. Отсюда вытекает общая задача биомеханики, сводящаяся к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. Биомеханика исследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение. Рабочий эффект измеряется тем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. То же самое должно быть известно о силах, которые производят вредную работу, снижающую эффективность полезных сил. Такое изучение дает возможность сделать выводы о том, как повысить эффективность действия. При решении общей задачи биомеханики возникают многочисленные частные задачи, не только предусматривающие непосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ей подчиненные.
Метод биомеханики — системный анализ и системный синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений. Биомеханика, как наука экспериментальная, эмпирическая, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики, например траектории скорости, ускорения и др., позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части — устанавливают её состав. В этом — суть системного анализа.
Система движений как целое — не просто сумма её составляющих частей. Части системы объединены многочисленными взаимосвязями, придающими ей новые, не содержащиеся в её частях качества (системные свойства). Необходимо представлять это объединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе — её структуру. В этом — суть системного синтеза. Системный анализ и системный синтез неразрывно связаны друг с другом, они взаимно дополняются в системно-структурном исследовании.
При изучении движений в процессе развития системного анализа и синтеза в последние годы все шире применяется метод кибернетического моделирования — построение управляемых моделей (электронных, математических, физических и др.) движений и моделей тела человека.
Клиническая биомеханика
Основные методы исследования:
Задачи и содержание спортивной биомеханики (биомеханика спорта)
Как самостоятельная научная дисциплина биомеханика физических упражнений обогащает теорию физического воспитания, исследуя одну из сторон физических упражнений— технику. Вместе с тем, биомеханика физических упражнений непосредственно используется в практике физического воспитания. Как учебный предмет биомеханика содержит главные положения учения о движениях, обобщенный и систематизированный опыт изучения общих объективных закономерностей. Объект познания биомеханики — двигательные действия [человек],а как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Задачами спортивной биомеханики являются:
Биомеханика физических упражнений делится на общую, дифференциальную и частную.
Биомеханика занимает особое положение среди наук в физическом воспитании и спорте. Она базируется на анатомии, физиологии и фундаментальных научных дисциплинах — физике (механике), математике, теории управления. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе «психобиомеханика», энергостатические и эстетические аспекты биомеханики.
Инженерная биомеханика
Составная часть медико-биологической науки Протезостроение
Спортивная биомеханика (Биомеханика спорта)
Биомеханика трудовых действий и рабочих поз
Составная часть науки эргономика (гигиена труда).
Теоретическая биомеханика
Теоретическая биомеханика — наука, основанная на применении математической методологии и математического аппарата.
Компьютерная биомеханика
Одним из ответвлений теоретической биомеханики является компьютерная биомеханика, компьютерное моделирование. Она интенсивно развивается, пополняя теоретическую биомеханику новыми знаниями.
Театральная биомеханика
Методы исследования в биомеханике
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. Соматометрические: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.
II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.
III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.
Соматометрия
Антропометрия
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
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
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 широкое 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.
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.
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, высвобождаемая организмом в процессе жизнедеятельности, переходит непосредственно в работу механическую, электрическую, физико-химическую и т. д., при этом высвобождается некоторое количество тепла. Всё тепло, отдаваемое организмом, даёт 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 построена 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 лёгочного газообмена и последующем пересчёте количества потребляемого кислорода в единицы тепловой энергии. Теоретические обоснования метода непрямой калориметрии базируются на том, что вся энергия, высвобождающаяся 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 °C.
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.
Электромиография
Для изучения деятельности мышц в процессе выполнения двигательного акта используется электромиография. Ещё 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 струнного 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, но 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 счёт 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 законов механики, открытых Архимедом, Галилеем, Ньютоном, без физиологии Павлова, Сеченова, Анохина, так как и без современных компьютерных технологий.
Истоки биомеханики
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 её 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»
«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»
Возникновение биомеханики как науки
Основателем науки биомеханики по праву считается Джованни Борелли, итальянский натуралист. Профессор университетов в Мессине (1649) и Пизе (1656). Помимо работ в области физики, астрономии и физиологии, он разрабатывал вопросы анатомии и физиологии с позиций математики и механики. Он показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики, впервые истолковал движение сердца как мышечное сокращение, изучая механику движения грудной клетки, установил пассивность расширения лёгких.
Наиболее известный труд ученого «Движение животных» («Dе Motu Animalium»). Его учение основано на твердых биомеханических принципах, в своей работе он описал принципы мускульного сокращения и впервые представил математические схемы движения. Он впервые использует биомеханическую модель для объяснения движения в биомеханической системе.
Новым толчком развития биомеханики был связан с изобретение метода кинофотосъемки движения человека. Французский физиолог, изобретатель и фотограф. Этьенн Марей(1830—1904) впервые применил кинофотосъемку для изучения движений человека. Так же впервые им был применен метод нанесения маркеров на тело человека — прототип будущей циклографии. Важной вехой в истории биомеханики явились исполненные Э. Майбриджем (1830—1904)(США) циклы фотографий, снятых несколькими камерами с разных точек зрения. Серия фотографий («Галопирующая лошадь», 1887), показала необычайную красоту пластики реальных движений. С тех пор кинофотосъемка применяется для анализа движений как один из основных методов биомеханики. Начало анализа движения человека было положено братьями Вебер (1836) в Германии. Первый трехмерный математический анализ человеческой походки проведен Вильгельмом Брауном и его студентом Отто Фишером в 1891 году. Методология анализа ходьбы не изменилась по сегодняшний день. Кроме того, Браун и Фишер впервые изучили массу, объём и центр масс человеческого тела, (проведя исследования на трупах), и получили данные, которые длительно использовали как биомеханический стандарт. Ими был также предложен метод определения массы сегментов тела и его объёма, используя погружение частей тела в воду. Так были получены данные возрастных изменений центров масс. Исследования Брауна и Фишера положили начало новой эпохи биомеханики — биомеханики ходьбы, а период со второй половины XIX столетия стали называть столетием ходьбы.
Современный этап развития биомеханики
Создателем теоретической основы современной биомеханики — учения о двигательной деятельности человека и животных можно по праву считать Николая Александровича Бернштейна (1896—1966) [10]