книги / Экспериментальные методы в биомеханике

колебание, при котором кривая по совершении отклонения в одну сторону от изоэлектрической линии пересекает ее и совершает колебание в противоположной фазе; трехфазное колебание совершает соответственно три отклонения в противоположные стороны от изоэлектрической линии. Полифазным называется колебание, содержащее четыре и более фаз.

В электромиографии принято такое подключение пары электродов на входы усилителя, что отрицательное отклонение потенциала под активным электродом вызывает смещение на экране осциллографа, направленное вверх. Соответственно отклонение вниз от изоэлектрической линии означает положительное колебание потенциала. При характеристике фазности потенциала указывают его полярность: «положительное монофазное колебание», «двухфазное негативно-позитивное колебание» и т.д.

Рис. 8.5. Измерение параметров потенциала ДЕ: А – амплитуда (285 мкВ); t – длительность (15 мс); К – калибровочный сигнал

Амплитуда колебаний измеряется в микровольтах (мкВ) или милливольтах (мВ) между наиболее высокой и наиболее низкой точками электрографической кривой (от пика до пика). Длительность потенциала измеряется от начального отклонения до возвращения его к изоэлектрической линии, включая все фазы колебания.

331

Кроме этих параметров, характеризующих отдельные потенциалы волокон и моторных единиц мышц, оценивается также частота следования потенциалов. Частота оценивается количеством пиков одной полярности за секунду и записывается в форме дроби, в числителе которой стоит число колебаний, а в знаменателе – обозначение секунды (например, 20/с). Помимо этого, дается также оценка характера группирования потенциалов, ритмичности соответствующих групп и частоты их следования.

В спортивной медицине ЭМГ применяется для оценки коэффициента трудоспособности. По сигналу лампочки спортсмен быстро сокращает мышцу, а при отключении лампочки быстро расслабляет ее. Регистрируется время от зажигания лампочки до появления первых зубцов ЭМГ – латентный период напряжения (ЛПН) и время от выключения лампочки до резкого снижения амплитуды ЭМГ – латентный период расслабления (ЛПР). Последовательно проводят 3–5 замеров с интервалом в 10 секунд и вычисляют коэффициент работоспособности (КР). КР = ЛПН / ЛПР. При утомлении особенно растет ЛПР.

8.3.Контрольные вопросы

1.Чем представлен сократительный аппарат скелетной мышцы?

2.Как устроены актиновые и миозиновые нити миофибрилл?

3.Как формируется зубчатый и гладкий тетанус?

4.Что называют моторной единицей мышцы?

5.От чего зависит развиваемое мышцей усилие?

6.В чем суть теории скольжения, объясняющей сокращение мышц?

7.Как можно измерить силу мышц?

8.На каких биофизических явлениях основана электромиогра-

фия?

9.В чем различие электромиограмм, полученных при использовании игольчатых и пластинчатых электродов?

10.Как получить вызванный ответ мышцы?

11.Как с использованием стимуляционной электромиографии определить скорость проведения возбуждения по нервам?

332

Список литературы к главе 8

1. Автоматический анализ игольчатой ЭМГ в дифференциальной диагностике нервно-мышечных заболеваний / Л.С. Бабкин, Б.М. Гехт, С.Я. Полуказаков [и др.] // Журн. невропатол. и психи-

атр. – 1988. – Т. 86. Вып. II. – С. 1623–1628.

2.Автоматизированная система исследований электромиографических сигналов человека / Л.Я. Васильева-Линецкая, А.О. Роханский, А.В. Галацан [и др.] // Открытые информационные и компьютерные информационные технологии. – Харьков, 1998. –

Вып. 2. – С. 215–220.

3.Галичий В.А. Биоритмологические подходы к изучению функциональной асимметрии в системах равновесия и пространственной ориентировки / В.А. Галичий // Физиология человека. –

1991. – Т. 17, № 2. – С. 17–23.

4.Гехт Б.М. Теоретическая и клиническая электромиография /

Б.М. Гехт. – Л.: Наука, 1990. – 229 с.

5.Киреев Ю.В. О роли количества движений в восприятии положения звеньев тела / Ю.В. Киреев, И.А. Окунев // Физиология человека. – 1991. – Т. 17, № 2. – С. 89–92.

8.Котляров В.В. Аппаратно-программный комплекс для исследования нервно-мышечной активности человека / В.В. Котляров, В.Л. Сахаров // Медицинские информационные системы: межведом. темат. сб. – Н. Новгород, 1995. – Вып.5 – С. 59–62.

9.Кулаичев А.П. Компьютерная электрофизиология / А.П. Кулаичев. – М.: Изд-во МГУ, 2002. – 379 с.

333

13.Физиология человека / под ред. Г.И. Косицкого. – М.: Ме-

дицина, 1985. – 560 с.

14.Физиология человека: учеб. для студентов мед. вузов / под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 606 с.

15.Vankov A. Force platform for stabilographic studies / A. Vankov, S. Dunev, S. Videnov // Acta Physiol. Pharmacol. Bulg. – 1990. – Vol. 16, No. 3. – P. 63–68.

334

Глава 9 МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА

Биомеханический анализ движений человека интересен с разных точек зрения. Его результаты могут быть использованы в клинике, прежде всего травматологии, ортопедии, протезировании, неврологии, артрологии, вертебрологии, медико-социальной экспертизе, а также в спортивной и физкультурной практике [1, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12]. Возможности современного анализа движений включают в себя:

•получение объективной количественной и качественной информации о функциональном состоянии опорно-двигательного аппарата человека;

•диагностику и дифференциальную диагностику двигательной патологии;

•объективную оценку результата лечения, определение эффекта лечебных процедур и динамики течения заболевания;

В клинической практике основным методом качественной и количественной оценки функционального состояния опорнодвигательного аппарата человека является анализ походки [2, 3, 12, 13]. Кроме того, анализ походки используется во многих областях человеческой деятельности: от прикладных разработок новых типов обуви и протезов до фундаментальных клинических и физиологических исследований [4, 5, 7, 8, 15, 16].

9.1. Методы анализа походки человека

Методы анализа походки можно разделить на следующие группы:

Общие параметры:

а) пространственные – длина, база шага, угол разворота стопы, скорость ходьбы, частота шага, прямолинейность походки, боковые перемещения таза;

б) временные – время двойного шага, время переноса каждой ноги, время опоры на одну и на обе ноги, время опоры на различные отделы стопы.

335

Динамико-кинематический анализ – регистрация траектории и амплитуды движения различных сегментов тела, а также величины вертикальной, продольной и поперечной компонент реакции опоры (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Биомеханические параметры походки [2, 4]: изменения межзвенных углов в тазобедренном (ТБС), коленном (КС), голеностопном (ГСС), плюснефаланговом (ПФС) суставах, опорные реакции Nx, Ny, Nz, точка приложения опорной реакции к стопе. Под нижним графиком приведена подограмма и значения продолжительности отдельных фаз шага в процентах от времени

двойного шага

336

Пододинамометрия – измерение нагрузки на отдельные точки подошвы или на всей ее площади и построение траектории движения центра давления под стопой.

Акселерометрия – измерение ускорений сегментов тела. Электромиография мышц нижних конечностей. Перечисленные методы исследования походки обладают разной

диагностической и прогностической ценностью. Их чувствительность может существенно изменяться в условиях нормальной и патологической ходьбы. Пространственные показатели позволяют оценить степень функциональных изменений. Временные – могут помочь в идентификации асимметрий, нарушений баланса и опорной функции. Кинематические параметры полезны при определении механизмов компенсации. Измерение реакций опоры дает возможность оценить величину моментных сил в суставах. Акселометрия позволяет оценить общее состояние опорно-двигательного аппарата и его отдельных сегментов, провести раннюю, а в ряде случаев и доклиническую диагностику распространенных патологических состояний. Пододинамометрия находит наибольшее применение при исследовании и диагностике повреждений стопы. Электромиография позволяет получить информацию о функциональном состоянии мышц нижней конечности.

Рассмотрим более подробно следующие методы исследования биомеханики походки:

•подометрия – измерение временных характеристик шага;

•гониометрия – измерение углов между сегментами нижней конечности;

•ихнометрия – измерение пространственных характеристик шага;

•пододинамометрия – регистрация реакций опоры;

•видеорегистрация;

•регистрация биопотенциалов мышц.

9.2. Подометрия

Подометрия – один из наиболее старых и в тоже время часто применяемых методов биомеханического исследования походки. Методы регистрации временных характеристик шага можно разде-

337

лить на следующие группы в соответствии со способом регистрации процесса ходьбы:

1)визуальные;

2)электрические; а) с контактами-выключателями:

–двухконтактные;

–поликонтактные;

б) с контактной дорожкой:

–регистрация с обуви

–регистрация с дорожки; 3) оптические.

Визуальное наблюдение и измерение секундомером времени фазы опоры и фазы переноса ввиду своей невысокой точности имеет только историческое значение. В настоящее время наибольшее распространение получили электрические методы регистрации.

Методы с использованием контактов-выключателей не требуют применения специальной контактной дорожки. Количество контактов изменяется от двух до четырех в зависимости от цели исследования. Контакты-выключатели либо монтируются в подошву специальной обуви, либо, если позволяет конструкция датчика, наклеиваются на подошву обуви.

Наиболее распространены методы регистрации подограммы с использованием контактных дорожек (рис. 9.2). Самая простая и часто применяемая – регистрация временных характеристик шага «с контактов на обуви». Сплошная металлическая дорожка представляет собой одну контактную поверхность, а металлические пластинки на носке и каблуке – другую. При замыкании контактов обуви с дорожкой во время ходьбы регистрируется соответствующая информация. К недостаткам обычной двухконтактной подограммы относится невозможность регистрации переката стопы во фронтальной плоскости и времени опоры на локальные точки стопы. С этой целью рядом исследователей применяются методы четырех- и даже десятиконтактной подографии. При использовании четырех контактов пластины располагаются в наиболее нагруженных точках стопы, т.е. в пяточной части, под головками 1-й и 5-й плюсневых костей и в области концевой фаланги первого пальца.

338

При десятиконтактной подографии небольшие контактные пластинки располагаются по периметру подошвы обуви.

Рис. 9.2. Пример регистрации подограммы [14]

В следующей группе методов получение информации о временных характеристиках ходьбы осуществляется непосредственно со специальной дорожки – электроихнографа. Среди прочих функциональных возможностей электроихнограф позволяет регистрировать и подограмму. Дорожка представляет собой тканевой коврик с вплетенными в него с интервалом 5–-7 мм продольно расположенными металлическими струнами. Струны соединены между со-

339

бой последовательно с помощью равных по величине резисторов. Схемы подключения дорожки могут быть различными. Информацию о временных характеристиках шага получают во время ходьбы, замыкая то или иное количество струн металлическими контактами на обуви. В современных моделях электроихнографа токопроводящая дорожка изготавливается из цельного листа электропроводящей резины.

Некоторые исследователи для изучения временных характеристик ходьбы применяют дорогостоящие оптоэлектронные системы регистрации времени опоры стопы. Погрешность измерения такой системы оценивается ±0,002с.

9.3. Гониометрия

Гониометрия – регистрация движений в суставах человека с помощью датчиков угла, прикрепленных к соответствующим сегментам.

340