Общие понятия о биомеханике тела

    ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О БИОМЕХАНИКЕ  ТЕЛА 

 Разнообразие  движений человека обусловлено сложностью строения человеческого организма. Пока ни одна машина не в состоянии  повторить весь спектр людских движений.  Для изучения механики движений живых организмов с биологической точки зрения (опираясь на нервную систему, механизмы тела) существует наука – биомеханика. 

    Сравнив главные особенности, которые отличают двигательный аппарат живых и  неживых организмов, ученые-биомеханики  пришли к  некоторым выводам. Во-первых, живой организм двигается не только из-за работы двигательного аппарата, но и работы центральной нервной системы, органов чувств. Во-вторых, у живых организмов есть способность создавать временные связи, основанные на рефлексах.  Это обеспечивает постоянное приспособление, уравновешивание движений человека к окружающей среде.

    Все движения живых существ с центральной  нервной системой основаны на расслаблении и напряжении определенных мышц. Команды  мышцам передают нервные импульсы. Если подойти к двигательному  аппарату со стороны механики, то мы увидим механизм, который состоит  из сложной системы рычагов, управляемой  мышцами.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.