Перечислите основные этапы биомеханического анализа кратко

Обновлено: 02.07.2024

Метод биомеханики спорта — это основной способ исследования, путь познания закономерностей явлений. Теория биомеханики дает обоснование ее методу. Метод же определяет возможности получения новых данных, раскрытия новых закономерностей.

Метод биомеханики в наиболее общем виде имеет в своей основе системный анализ и системный синтез действий с использованием количественных характеристик, в частности моделирование движений.

в определении конкретных способов системного анализа действий и их синтеза. Выявление состава элементов системы движений — этап познания целостности двигательного действия. Биомеханика, как наука экспериментальная, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные особенности (ха­рактеристики) движений, например траектории скорости, ускорения, позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рас­сматривая характеристики, мысленно расчленяют по определенным правилам систему движений на составные части; таким образом устанавливают ее состав. В этом заключается системный ана­лиз дейст в и й.

Система движений как целое не просто сумма частей ее состав­ляющих. Части системы объединены многочисленными взаимосвязя­ми, придающими ей новые, не свойственные ее частям качества (си­стемные свойства). Способ взаимосвязи частей в системе, закономер­ности их взаимодействия представляют ее структуру. Изучая изме­нения количественных характеристик, выявляют, как элементы влияют друг на друга, определяют причины целостности системы. В этом проявляется системный синтез действий.

Количественные характеристики движения позволяют на высшем уровне системного анализа строить модели системы движений (фи­зические, математические). Используя вычислительную технику, на­чинают изучать процессы управления движениями, искать оптималь­ные варианты действий. Синтез систем движений проводится как теоретически (моделирование), так и практически, при реальном по­строении систем движений — овладении спортивной техникой. Систем­ный анализ и системный синтез действий неразрывно связаны друг с другом, дополняют друг друга в системно-структурном исследовании.

Наиболее широко в современных биомеханических исследованиях применяют функциональный метод. С его помощью изучают функциональную зависимость между свойствами и состояниями яв­лений; их характеризуют определенные параметры, конкретные ус­ловия, количественно определенный закон. При этом не ставится задача изучения внутренней структуры явления, исследуется только его функция. Не следует противопоставлять методы системно-структур­ный и функциональный. По сути дела, логически сначала рассмат­ривают функцию всей системы в целом, не вникая еще в ее построение. Далее изучаются ее внутренние механизмы. Но на каком-то этапе более глубинные особенности вновь оказываются еще не познанными и рассматривается только функция. Выбор подхода и метода опре­деляется в зависимости от постановки и условий задачи исследования.

Следует отличать метод биомеханики как общий принципиальный путь познания сложных систем движений от частных методик био­механического исследования (методик регистрации характеристик и обработки полученных данных). Далеко не каждое биомеханическое исследование использует полностью метод биомеханики. Более того, большая часть исследований направлена пока еще на изучение частных механизмов или общих показателей двигательных актов. Очень важна

также разработка новых совершенных методик исследования. Однако для практики спорта особенно необходимы целостные модели спор­тивной техники как предмета обучения и совершенствования техни­ческого мастерства. Для решения этой задачи применяется в наиболее полном виде исследование систем движений, раскрытие их внутренней структурной организации.

Закономерности, устанавливаемые при изучении движений, имеют преимущественно статистический (вероятностный) характер. Он обус­ловлен зависимостью следствий от многих, неопределяемых полностью причин 1 . Такие закономерности свойственны, в частности, живым ор­ганизмам

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

3.1. Понятие о биомеханическом анализе

Биомеханический анализ движений человека всегда начинается с определения различных характеристик движущегося тела. Этими характеристиками могут быть различные механические характеристики (например, перемещение, скорость, ускорение) и биологические характеристики (сила тяги мышцы, время суммарной электрической активности мышцы). Некоторые из этих характеристик определяются экспериментально, а остальные – расчетным путем. В биомеханике широко используются механические характеристики движущегося тела. Прежде чем перейти к описанию механических характеристик введем ряд понятий, характеризующих механическое движение тел.

3.2. Механическое движение тела

Механическое движение тела – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел. Механическое движение является неотъемлемым компонентом функционирования человеческого организма. Чтобы определить положение какого-либо тела в пространстве, прежде всего, нужно выбрать тело отсчета.

Тело отсчета – тело, которое условно считается неподвижным и относительно которого рассматривается движение данного тела.

Выбор тела отсчета определяется соображениями удобства для изучения данного движения. Обычно за тело отсчета принимается тело, неподвижное относительно поверхности Земли.

Система отсчета состоит из тела отсчета, системы координат и часов, синхронно идущих во всех точках пространства.

Физические величины бывают скалярными и векторными .

Векторная величина отображается отрезком прямой со стрелкой на одном конце. Длина отрезка в выбранном масштабе выражает числовое значение векторной величины, а стрелка указывает ее направление. Векторную величину обозначают буквой с черточкой над ней (или стрелкой) или жирным шрифтом. В настоящей лекции векторные величины будут обозначаться жирным шрифтом.

Скалярная величина (от лат. scalaris — ступенчатый) в механике – величина, каждое значение которой может быть выражено одним числом. То есть скалярная величина определяется только своим значением, в отличие от векторной, которая кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.

Тело человека – это не материальная точка, а очень сложная биомеханическая система переменной конфигурации. При изучении кинематики движений человека мы можем исследовать движение отдельных точек его тела (например, центров суставов) и производить анализ и оценку их движений с помощью механических характеристик. При изучении движений отдельных звеньев тела человека мы можем вычленить и наблюдать наиболее простые формы движения тела – поступательное и вращательное .

Поступательным движением тела называется такое движение, при котором всякая прямая, проведенная в этом теле, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. Поступательное движение не следует смешивать с прямолинейным. При поступательном движении тела траектории его точек могут быть как прямолинейными, так и криволинейными (например, траектория полета ядра или траектория ОЦТ тела человека в полетной фазе бегового шага).

При поступательном движении тела все его точки движутся по одинаковым и параллельно расположенным траекториям и имеют в каждый момент времени равные скорости и равные ускорения. Поэтому поступательное движение тела вполне определяется движением какой-либо его одной точки, а, значит, задача изучения поступательного движения тела сводится к изучению движения любой его точки.

Вращательным движением тела называется такое движение, при котором какие-либо две его точки остаются все время неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения. Траекторией движения любой точки тела при вращательном движении будет окружность.

3.3. Классификация механических характеристик движений человека

Исследуя движения человека, измеряют количественные показатели механического состояния тела человека или его движения, а также движения звеньев тела, то есть регистрируют механические характеристики движений.

Механические характеристики движений человека – это показатели и соотношения, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности человека.

Механические характеристики делятся на две группы:

· кинематические (описывают внешнюю картину движений);

· динамические (несут информацию о причинах возникновения и изменения движений, а также показывают, как меняются виды энергии при движениях и происходит сам процесс изменения энергии).

3.4. Кинематические характеристики движений человека

Кинематические характеристики движений человека делятся на следующие группы:

· пространственные,

· пространственно-временные.

3.4.1. Пространственные характеристики

Для простоты, будем считать, что тело человека является твердым телом. Тогда положение тела в пространстве будут характеризовать следующие пространственные характеристики:

· координаты тела;

· перемещение тела;

· траектория тела.

Координаты тела – это пространственная мера местоположения тела относительно системы отсчета.

Положение тела в пространстве может быть описано с помощью декартовых и полярных координат. Для определения положения точки на плоскости в декартовой системе координат достаточно двух линейных координат: x и y, в пространстве – трех: x, y, z.

Перемещение тела (Δ S ) – вектор, соединяющий начальное положение точки (тела) с его конечным положением . При прямолинейном движении перемещение совпадает с траекторией. При криволинейном – не совпадает.

Рис.3.2. Оптимальная (1) и нерациональные (2 и 3) траектории движения штанги при выполнении тяжелоатлетических упражнений.

Путь – физическая величина (скалярная), численно равная длине траектории точки или тела.

3.4.2. Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени. К временным характеристикам относятся:

· длительность движения,

· темп движений,

· ритм движений.

Длительность движения – это временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

Фаза – это часть движения, в течение которой решается самостоятельная двигательная задача.

Например, в беге существуют фаза опоры и фаза полета. Каждая из этих фаз характеризуется определенной длительностью.

Темп движений определяется количеством движений в единицу времени. Эта характеристика определяется для повторных (циклических движений). Темп движений – величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность движений, тем ниже темп. При педалировании в максимальном темпе спортсмен выполняет три цикла в секунду, при беге – 2,8 циклов в секунду, при беге на коньках – 1,8 циклов в секунду.

В атлетизме темп выполнения силовых упражнений существенно влияет на гипертрофию скелетных мышц. Установлено, что эксцентрические упражнения, выполняемые в высоком темпе, оказывают большее повреждающее действие на мышцы по сравнению с умеренным темпом. Вследствие этого степень гипертрофии мышц при выполнении силовых упражнений в высоком темпе будет больше.

Ритм движений – временная мера соотношения частей (фаз) движения.

Пример. В беге отношение фазы опоры к фазе полета характеризует ритм движений бегуна. Это отношение называется ритмическим коэффициентом. У детей 5-6 лет ритмический коэффициент равен двум, то есть фаза опоры значительно превышает фазу полета. У взрослых мужчин 20-29 лет этот значение ритмического коэффициента равно 1,4. У сильнейших спринтеров этот показатель равен 0,8.

Во многих видах спорта, например, толкании ядра, барьерном беге ритм является важнейшим критерием технического мастерства спортсмена.

3.4.3. Пространственно-временные характеристики

К пространственно-временным характеристикам относят:

· скорость тела;

· ускорение тела.

Поступательное движение тела

Скорость тела ( V ) – это векторная величина, определяющая быстроту и направление изменения положения тела в пространстве с течением времени. Скорость измеряется отношением перемещения ( ΔS ) к затраченному времени V = ΔS /Δt.

В спорте скорость движения человека или снаряда является критерием спортивного мастерства. Существует ряд видов спорта, в которых чем выше скорость перемещения спортсмена, тем выше результат, табл. 3.1.

Биомеханика-наука, изучающая различные аспекты функционирования биологических тканей, органов и систем на основе методов теоретической и экспериментальной механики. Роль биомеханических исследований в реабилитации больных с двигательными нарушениями определяется тем, что эти исследования позволяют существенно расширить представления о характере и степени поражения опорно-двигательного аппарата, обеспечить объективный контроль за пррцессами восстановления.
Формально гониометрия и динамо-метрия, описанные в разделе 2.2.1, также относятся к методам биомеханики; эти методы позволяют регистрировать какой-то один параметр движения (угол, силу), их применение доступно любому реабилитологу и не требует наличия в реабилитационном учреждении биомеханической лаборатории и специально обученного персонала. Чаще все же под биомеханическим обследованием подразумевают более сложное, комплексное изучение функций, требующее специальной аппаратуры и программных комплексов. Такое обследование является достаточно дорогостоящим, оно обычно проводится в крупных реабилитационный центрах, оснащенных современной аппаратурой и нередко выполняющих не только практические, но и научно-исследовательские функции. Применительно к больным с локомоторными нарушениями наиболее часто проводятся биомеханические исследования, касающиеся походки, поддержания вертикальной позы, оценки деформации позвоночника.

2.4.3.1. Исследование походки

Ходьба человека является сложным, произвольным актом, в котором задействованы различные уровни нервной системы, мышцы, связки, костно-суставной аппарат. Характер походки определяют шесть основных детерминант, к которым относятся [Inman V.T. et al, 1981]:
1. Вращение таза.
2. Наклон таза (движение Тренделенбурга).
3. Сгибание в коленном суставе при опорном периоде.
4. Механизм флексии и экстензии голеностопного сустава.
5. Ротация коленного, голеностопного суставов.
6. Латеральное расположение таза.
В норме организация ходьбы обеспечивает наиболее плавное движение общего центра тяжести тела. Так, 1—4 и 6-я детерминанты направлены на ограничение вертикальных перемещений (ускорений) общего центра тяжести. Пятая детерминанта направлена на уменьшение боковых перемещений общего центра тяжести. При патологии опорно-двигательного аппарата либо нервной системы очень часто наблюдаются нарушения походки [Фарбер Б.С. и соавт. 1995, Скворцов Д.В., 1996, Корнилов и соавт. 1997, Gage J.R. 1991].
При биомеханическом анализе походки используют следующие понятия (рис. 2.48):
Цикл шага — время от начала контакта с опорой данной ноги до следующего такого же контакта этой же ногой. Цикл шага для данной ноги состоит из периода опоры и периода переноса.
Период переноса — время отсутствия контакта ноги с опорной плоскостью.
Двуопорный период — время, когда обе ноги касаются опорной плоскости.
Частота шага — число единичных шагов в единицу времени.
Применение данных понятий подразумевает, что цикл шага незначительно меняется в течение обследования [Янсон Х.Я., 1975, Smidt C.L., 1985, Perry J., 1992].
Оценку походки у больного необходимо начинать с полного клинического анамнеза, собранного у пациента, а также с расспроса родственников и ухаживающего персонала. Далее следует детальный осмотр больного. При этом особое внимание следует обратить на состояние мышц, подвижность суставов, целостность скелета. Затем выполняется биомеханический анализ походки.
В зависимости от степени патологического процесса, конкретных задач обследования и, наконец, от наличия специальных технических средств для оценки характера походки, анализ может проводится с привлечением специального оборудования или без него.
Следующим этапом является формирование гипотезы о причинах, вызывающих аномальную походку. Проверка гипотезы может потребовать использования иных методов физиологических исследований, например, игольчатой электромиографии или ортостатической пробы. В ряде случаев эффективной бывает попытка модифицировать походку обследуемого. С этой целью можно использовать специальную ортопедическую обувь или ортезы.

Ихнография — регистрация и анализ пространственных характеристик ходьбы. При обследовании для каждой ноги определяют длину шага, угол разворота стоп, ширину шага.
Подография — методика регистрации и анализа временных характеристик шага. Обычно используют методику регистрации нескольких независимых параметров, характеризующих ходьбу: время начала пяточного контакта правой ноги, время начала носочного контакта правой ноги, время окончания пяточного контакта правой ноги, время окончания носочного контакта правой ноги, время переноса правой ноги (нога не касается опоры). Для левой нога определят аналогичные величины. Также регистрируют время, характеризующее разницу между аналогичными моментами контакта стоп правой и левой ноги. Если цикл шага не значительно меняется в течении обследования, определяют цикл шага, период переноса, двуопорный период, цикл шага, частоту шага.
Анализ сил реакций опоры осуществляют при помощи специальных силовых платформ, вмонтированных в пол, на которые обследуемый наступает при ходьбе. Различают продольную, поперечную и вертикальную составляющие реакции опоры для каждой ноги. Характер давления различных участков стопы изучают при помощи специальных стелек, снабженных барорецепторами. Стельки устанавливают в обувь обследуемого. Информация о давлении на рецепторы передается на персональный компьютер и обрабатывается по специальному алгоритму.
Определение внутрисуставных сил происходит на основе решения обратной задачи механики. Математически решаются уравнения, связывающие массинерционные параметры сегментов тела, реакции опоры и силы, возникающие на іраницах суставных поверхностей. Мышечные усилия вычисляются аналогичным образом.

В таблице 2.9 приведены некоторые аномалии походки, выявляемые с помощью биомеханического обследования, с указанием возможных причин их возникновения.

Таблица 2.9
Общие аномалии походки, их возможные причины и диагностические доказательства по Winter, 1985)

2.4.3.1. Исследование устойчивости вертикальной позы

Под вертикальной позой понимают такое положение тела человека в пространстве, при котором взаимодействие его с опорной поверхностью под действием силы гравитации осуществляется лишь посредством нижних конечностей. Под устойчивостью вертикальной позы понимают способность человека противостоять возмущениям. Позу считают устойчивой, если при малых возмущениях отклонения от состояния равновесия тоже малы.
Поддержание вертикальной позы есть результат взаимодействия многих процессов, объединенных в единую функциональную систему, где доминирующая и регулирующая роль принадлежит центральной нервной системе, а исполнительная — опорно-двигательной системы (ОДС)[Анохин П.К., 1964]. Способность поддерживать вертикальное положение является поэтому' одним из важнейших показателей, определяющих функциональное состояние ОДС. Изучение этой способности позволяет количественно оценивать компенсаторные явления при травмах и заболеваниях ОДС; в том случае когда пациент не может ходить без дополнительной опоры, оценка устойчивости вертикальной позы остается фактически единственным исследованием, позволяющим делать количественные заключения о функциональном состоянии ОДС пациента, а иногда и содействовать в проведении экспертизы трудоспособности [Гурфинкель B.C., 1961].
Существует два подхода к оценке устойчивости вертикальной (ортоградной) позы. Первый основан на анализе динамических уравнений, описывающих ее конкретную модель. Однако практическое использование результатов модельных представлений в повседневной медицинской практике затруднено. Это связано с тем, что с биомеханической точки зрения тело стоящего человека предстаатяет собой многозвенный перевернутый маятник. Устойчивость его обеспечивается активным действием мускулатуры, управляемой центральными и рефлекторными механизмами. Число степеней свободы такой системы велико, а количественные параметры ее претерпевают значительные изменения как у одного, так и у различных людей, особенно при патологии.
Второй подход предполагает изучение с помощью специальных устройств определенных параметров, характеризующих процесс стояния, и анализ их изменения при внешних и внутренних воздействиях на человека [Гурфинкель B.C. и соавт., 1965,Фельдман А.Г., 1979]. Этот подход лежит в основе методик стабилографии, кефалографии и др.
Методика стабилографии впервые была описана в 1952 году Е.Б.Бабским и коллегами. Эта методика заключается в регистрации и анализе параметров, характеризующих движение горизонтальной проекции общего центра массы (ОЦМ) стоящего человека. Тело стоящего человека непрерывно совершает колебательные движения. Одним из первых их исследовал Romberg М.Н. в 1851 г., он же первый обратил внимание на различие колебаний тела здорового человека и неврологических больных. Движения тела при поддержании вертикальной позы отражают различные механизмы управления мышечной активностью. Основным параметром, по которому происходит регуляция мышечной активности, является перемещение общего центра массы человека. Стабилизация положения ОЦМ осуществляется за счет стабилизации корпуса, которая, в свою очередь, обеспечивается на основе переработки информации о положении и перемещении его в пространстве [Roberts T.D.M., 1978, Nashner L.M., 1981; Гурфинкель B.C. и соавт., 1981]. Получение такой информации обеспечивается зрительным, вестибулярным, проприоцептивным аппаратами.
Для регистрации движения ОЦМ используется специальное устройство — стабилограф. Он состоит из опорной платформы, закрепленной на основании посредством чувствительных элементов. При обследовании испытуемый стоит на опорной платформе, при этом чувствительные элементы регистрируют опорные реакции ног человека. Следует отметить, что чувствительные элементы регистрируют не перемещение ОЦМ, а более сложную характеристику его движения [Гурфинкель Е.В., 1974]. Так, в натуральной стабилограмме низкочастотный сигнал описывает перемещение ОЦМ, а высокочастотные составляющие отражают ускорение ОЦМ. В связи с этим стабилографы могут давать ошибку в измерении перемещения в горизонтальной проекции ОЦМ, которую нужно учитывать для каждого конкретного аппарата во избежании неправильного толкования результатов обследования.
Существует много моделей стабилографов. Серийно их выпускают фирмы KISTLER, BERTEC, ANIMA, АМП, ОКБ Ритм. На рис. 2.50 показана внешний вид компьютеризированного стабилографа. Обычно определяют следующие характеристики стабилограммы: средний модуль

2.4.3.1. Топографическая оценка деформаций позвоночника

вогнутой спины с усилинным лордозом (LAN=46,9°) и кифозом (KAN=49,9°) и наклоном таза 26,1°. Расположение дуг по уровню апекса лордоза и кифоза выше приблизительно на один позвонок.
Необходимо отметить, что с развитием научно-технического процесса появляются все более и более сложные инструментальные установки для регистрации движений человека (при этом биомеханическое обследование становится все более дорогостоящим). Вопрос о целесообразности проведения того либо иного биомеханического исследования решается с учетом поставленных задач (практических и научных) и возможностей реабилитационного учреждения.

Наблюдая движения человека, можно заметить, что многие их особенности все время изменяются. Изменяется положение звеньев тела, скорости движения и многое другое. Особенности (или признаки) движения позволяют разделить сложное движение на составные части, заметить, как они влияют одна на другую, как помогают достичь цели. Для этого и изучают характеристики движений человека. Характеристики движений человека- это те особенности, или признаки, по которым движения различаются между собой.

Различают качественные и количественные характеристики.

Качественные характеристики- характеристики, описываемые только словами и не имеющие точной количественной меры (например: напряженно, свободно, плавно, мягко и др.).

Количественные характеристики- характеристики, которые измеряют или вычисляют, они имеют количественную меру.

Педагогу при проведении урока нечем и некогда измерять и регистрировать количественные характеристики. Ему приходится пользоваться качественными характеристиками, он проводит качественный биомеханический анализ движений каждого ученика.

Изучая движения с помощью измерительной и записывающей аппаратуры, получают количественные характеристики. Их обрабатывают, проводят вычисления для количественного биомеханического анализа. Конечно, затем должен следовать и качественный анализ, чтобы понять законы движения и использовать их в физическом воспитании. Хорошо владея навыками количественного анализа, в повседневной практической работе можно с успехом пользоваться только качественным анализом.

Движение выражается в изменении с течением времени взаимного положения тел. Его можно наблюдать и отсчитывать только относительно других реальных тел (например, при прыжках в длину - относительно бруска) или условных (например, в старте яхт - относительно линии створа).

В зависимости от условий задачи, стоящей при изучении двигательного действия, выбирается та или иная система отсчета. Принято выделять:

- инерциальную систему отсчета (Земля, дорожка, лыжня) - движения их в данной системе незаметны при измерениях, т.е. изменениями скорости, ускорениями при решении данной задачи можно пренебречь;

- неинерциальная система отсчета - движущееся тело (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца), движение которого происходит с заметным ускорением, существенно влияющим на отсчет расстояния;

- соматическая система отсчета (тело человека) - движение звеньев рассматривается относительно туловища.

Классификация методов исследования. В развитии методов исследования биомеханики нашли отражение ее синтетический характер, тесные связи со многими смежными науками (анатомия, физиология, теоретическая механика, кибернетика и т. д.). Еще на заре научной медицины в работах Аристотеля и Галена появились первые описания картины движения животных и человека. Но лишь в последние десятилетия, в значительной мере благодаря успехам биомеханики, физиологии, рентгеноанатомии, клинической медицины, электроники, появились возможности объективной регистрации разнообразных проявлений двигательной активности человека.

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: косвенная калориметрия, электромиография, электроэнце-фалография, другие методы функциональной диагностики.

Читайте также: