Биомеханика поддержания вертикальной позы (обзор моделей поддержания равновесия)

Изучение регуляции позы представляет собой важную и актуальную научную задачу. Одновременно с этим изучение регуляции позы характеризуется сложным техническим и физиологическим процессом исследования. Поддержание вертикальной позы носит непрерывный динамический характер постоянного взаимоперемещения звеньев тела и перемещения общего центра давления. Это сопровождается изменением уровня тонической активности постуральных мышц [1]. В регулировании принимают участие разные уровни центральной нервной системы, использующие информацию от вестибулярных, мышечных, суставных и зрительных рецепторов (рис. 1). Отсюда следует, что изменение состояния некоторых органов и систем найдут отражение в изменении характеристик процесса поддержания вертикальной позы. Исследование позы не ограничивается изучением поддержания тела в вертикальном положении. Оно также включает в себя изучение поддержания равновесия при внешних возмущениях (например, сохранение устойчивости в условиях падения) [2].

В данной работе рассмотрим вертикальную позу, которая характеризуется сложно- стью решения задач, так как содержит в своем понимании многозвенность и многоуровне-вость систем: высокое расположение центра давления над опорой, малой площади опорного круга, необходимости сохранения равновесия тела при действии внутренних (организменных) и внешних возмущений [3].

Рис. 1. Использование информации для поддержания равновесия

Поддержание позы связано с наличием определенной системы отсчета, которая используется для оценки взаимоположения звеньев тела и поддержания его ориентации относительно экстраперсонального пространства [1]. Механизмы поддержания вертикальной позы занимают промежуточное место между двигательными локомоциями (ходьба, бег) и произвольными движениями (например, тактика броска мяча в баскетболе в конкретной ситуации), и знание принципов вертикальной позы можно рассматривать в качестве предпосылок изучения закономерностей формирования двигательных навыков, структуры произвольных движений и принципов управления ими [4].

Изучая поддержание равновесия тела в вертикальной позе на стабилометрической платформе, данные регистрируются в двух плоскостях: фронтальной (влево – вправо) и сагиттальной (вперед – назад). Устойчивость тела в этих направлениях зависит от состояния нервно-мышечного аппарата мышц, которые активны в этих направлениях, а также сенсорной, зрительной, проприорецептивных систем [2]. Многие авторы [5–7] считают, что управление вертикальной позой наиболее сложное в сагиттальной плоскости, так как имеет наибольшую амплитуду колебаний центра давления.

В сагиттальной плоскости описывают несколько моделей поддержания равновесия тела, но в большинстве работ описание заканчивается моделированием тела в виде однозвенного перевернутого маятника (рис. 2, 3). Такая модель крайне неустойчива [8]. Устойчивость в вертикали достигается за счет работы мышц, возвращающих его в состояние равновесия. Данная модель берется для описания позных колебаний. При минимальных колебаниях считается, что человек использует «голеностопную» стратегию за счет изменения угла в голеностопном суставе, а при больших и частных колебаниях – «тазобедренную», в которой устойчивость достигается за счет тазобедренных суставов. В норме у здоровых людей «голеностопная» стратегия.

Привлекательность модели перевёрнутого маятника состоит в возможности непосредственного измерения контролируемой переменной (угла в голеностопном суставе, который связан с положением центра тяжести) и

«управляющей» переменной (момента сил в голеностопном суставе, который однозначно связан с положением центра давлений).

Рис. 2. Биомеханическая модель однозвенного перевернутого маятника

Рис. 3. Вариации модели перевернутого маятника

Узость модели перевернутого маятника поставила исследователей перед необходимостью использовать более сложную модель, учитывающую подвижность в трех суставах: голеностопном, коленном и тазобедренном (рис. 4) [6].

Рис. 4. Трехзвенная система описания тела человека при стоянии

Отмечено, что в трехзвенных моделях нервно-мышечные усилия заменяют моментами силы, действующими на суставы. В описании поддержания равновесия данной модели стоит учесть жесткость мышц, антропометрические особенности строения скелетномышечного аппарата, так как в нижних конечностях человека имеется значительное число двусуставных мышц, принимающих активное участие в решении различных двигательных задач [5].

С использованием дополнительного оборудования (высокоскоростной камеры с возможностью съемки до 1200 кадров/с) имеется возможность описывать и изучать однозвенную и трехзвенную модель поддержания вертикальной позы, сравнивать полученные данные в двух позах, сопоставлять их с данными стабилометрической платформы, выясняя механизмы поддержания равновесия.

Тело человека во фронтальной плоскости имеет более сложную структуру, чем в сагиттальной [2, 3, 8]. С точки зрения биомеханики в сагиттальной плоскости вертикальная поза представляет собой разомкнутую кинематическую цепь, а во фронтальной плоскости – комбинацию разомкнутой (верхняя часть тела) и замкнутой (нижняя часть тела) цепей.

До сих пор идут споры о том, какая стратегия используется, и как осуществляется процесс поддержания вертикальной позы во фронтальной плоскости, возможно ли применение таких же принципов регуляции вертикальной позы, как и в сагиттальной плоскости. На данный момент известно, что с увеличением опорного контура и расстояния между стопами стабильность тела во фронтальной плоскости увеличивается [2–4]. Одновременно с увеличением данных характеристик повышается требования к системе управления вертикальной позы во фронтальной плоскости.

Существует несколько типов определения поддержания вертикального равновесия во фронтальной плоскости (рис. 5).

Рис. 5. Конфигурация опорного контура во фронтальной устойчивости

Изучается устойчивость шести поз:

• 1)    стояние на одной ноге;

• 2)    поза Ромберга;

• 3)    поза ноги «накрест», расстояние между стопами 10 см;

• 4)    нормальное стояние, расстояние между стопами 10 см;

• 5)    поза «ноги на ширине плеч», расстояние между стопами 20 см;

• 6)    ноги широко расставлены, расстояние между стопами 40 см.

В сенсибилизированной позе Ромберга рассматривается два варианта стояния: а) правая нога впереди и б) левая нога впереди [2].

Одна из проблем проведения данного изучения позы – это желательность прикрепления поверхностных электродов для регистрации электромиограммы мышц, активность которых интересна и актуальна при поддержании равновесия во фронтальной плоскости [1].

Поддержание вертикальной позы человеком может быть зарегистрировано с помощью специальных биомедицинских электронных систем. Одним из наиболее широко используемых методов является стабилография – исследование баланса вертикальной стойки и ряда переходных процессов посредством регистрации положения, отклонений и других характеристик проекции общего центра массы тела на плоскость опоры. Это метод исследования функции равновесия, проприоцепции, зрительного анализатора, вестибулярного аппарата и других функций организма, прямо или косвенно связанных с поддержанием равновесия [7].

Также регистрировать изменения вертикальной позы возможно при помощи системы высокоскоростной видеосъемки серии Ultra Motion Pro. Технология биомеханической видеосъемки и математического моделирования двигательной активности человека позволяет с высокой точностью определять движения звеньев тела в данный момент.

В совокупности метод стабилометрии и высокоскоростная видеосъемка дают точный и наглядный результат в стратегии поддержания равновесия в сагиттальной плоскости.

В качестве первого шага экспериментального изучения механизмов управления мышечной активностью, направленной на поддержание вертикальной позы в сагиттальной плоскости у спортсменов было проведено исследование, входными параметрами которого

Рис. 6. Положение светоотражающих датчиков на теле спортсмена

поддержания равновеси я в сагиттальном направлении более, чем во фронтальном (по данным стабилограмм и статокинезиограмм) (рис. 7).

Дальнейшим этапом исследования является получение новых данных по вопросу вертикальной устойчивости тела спортсменов. П р и обработке одного и того же в р еменного интервала данные, полученные с высокоскоростной видеокамеры и с табилометрии, помогут выявить модель по д держания равновесия лыжника-гонщика, а также установить уровень вестибулярной устойчивости. В перспект и ве планируется создание математической модели колебаний тела.

Рис. 7. Данные стабилометрии: а – стабилограмма; б – статокинезиограмма

стало: изменение суставных углов, перемещение общего центра масс тела, отдельных звеньев тела и т. д. (данные фиксировались при помощи метода стабилометрии и высокоскоростной камеры).

Изучались микроколебательные движения тела во время поддержания равновесия в сагиттальной плоскости (на основе однозвенного и трехзвенного маятника) на стабилоп-латформе. Использовали четыре стойки, каждая стойка - 30 с (основная стойка (ОС) - глаза открыты (ГО); ОС - глаза закрыты (ГЗ); поворот головы влево - ГЗ, поворот головы вправо - ГЗ). На тело спортсменов (n = 6) было прикреплено 13 светоотражающих датчиков (рис. 6). Каждые 6 с данные записывались на высокоскоростную камеру. Можно утверждать, что поддержание равновесия тела сводится к тому, чтобы обеспечить удержание проекции общего центра масс на опорную поверхность в пределах определенной области опорного контура. Преобладание