Применение фазового пространства для анализа мышечной активности при беге

Метод фазового пространства является одним из распространенных методов исследования нелинейных систем [2]. Исторически понятие фазового пространства было введено для более удобного и наглядного изучения поведения механических объектов и систем. Точки фазового пространства, образующие при движении фазовые траектории, однозначно характеризуют все возможные состояния данной системы.

Ципин Леонид Львович, к.пед.н., профессор кафедры биомеханики, Санкт-Петербург

Для механических систем координатами фазового пространства служат пространственные координаты и их импульсы. В случае двумерного фазового пространства фазовые траектории представляют собой кривые на фазовой плоскости.

При изучении биологических систем метод фазового пространства использовался рядом исследователей. В.В. Александров с соавторами применяли фазовые траектории для выявления вида взаимосвязи между различными признаками электрокардиограммы человека [1]. И.Б. Клочков на основе сравнительной оценки фазовых траекторий исследовал качество протезов бедра и голени человека [6]. Совместно с соавторами им сконструирована система анализа обобщенных фазовых портретов движения на тренажерах с биологической обратной связью [7]. В.А. Богданов применил фазовые траектории для изучения движений в суставных сочленениях ноги при ходьбе [3, 4]. K. Jaworek , A. Ferenc использовали фазовые диаграммы в координатах «межзвенный угол – угловая скорость» для анализа результатов ходьбы и бега. Ими показано, что этот способ представления данных может найти широкое применение в системах коррекции движений [16, 17]. А.Г. Фельдман предложил использовать фазовые траектории в координатах «текущая длина – скорость изменения длины мышцы» для изучения механизмов координации движений [12, 13]. Он проанализировал механизмы управления активностью мотонейронного пула при решении простейших двигательных задачах. Наиболее полно метод фазового пространства при изучении целостных двигательных действий представлен в работах А.В. Самсоновой с соавт. [9–11, 18, 19]. Ею впервые получены фазовые траектории мышц нижних конечностей человека при спринтерском и барьерном беге, а также педалировании в различном темпе.

Характерной особенностью фазовых траекторий мышц в координатах «длина – скорость сокращения мышцы» является то, что они дают представление об активности двигательного анализатора. Это связано с тем, что интенсивность сенсорного притока от афферентов работающей мышцы (мышечных веретен) обусловлена длиной мышцы и скоростью ее изменения. В свою очередь, сенсорная информация служит важной и неотъемлемой частью системы управления движениями. Учитывая то, что основной задачей спортивной тренировки является повышение работоспособности, а физиологическая основа ее заключается в ответной реакции на афферентную импульсацию, целесообразно при анализе фазовых траекторий состояний мышц учитывать еще один фактор, характеризующий интенсивность ответной реакции, величину электрической активности мышц. В определенном диапазоне средняя амплитуда электромиограммы работающей мышцы пропорциональна развиваемому ею усилию [15]. Оценив это усилие в цикле движения или в процессе выполнения всего упражнения, можно определить направленность упражнения и степень его тренирующего воздействия при развитии силовых качеств отдельных мышц.

Цель настоящего исследования заключалась в анализе мышечной активности квалифицированных бегунов на средние дистанции на основе применения комплексного метода построения фазовых траекторий мышц, определения величины их электрической активности и регистрации кинематических характеристик движений. Проведенное ранее подобное исследование основывалось на использовании стандартной киносъемки, записи электромиограммы посредством шлейфового осциллографа и ручной обработки данных, что не позволяло провести в полном объеме и с необходимой степенью точности анализ фазовых траекторий мышц [14].

Материалы и методы исследования

В исследовании участвовали три спортсмена, мастера спорта, специализирующиеся в беге на средние дистанции. Выполнялся бег на дистанции 800 м со средней скоростью 6,7 м/с. Для того чтобы учесть влияние утомления, замеры биомеханических и электрофизиологических параметров производились в конце дистанции. Осуществлялась синхронная видеосъемка и регистрация электромиограмм мышц нижних конечностей бегунов. Видеосъемка проводилась камерой Casio Exilim Pro EX-F1 (Япония), установленной на специальном штативе. Расстояние от камеры до спортсмена – 4 м, частота съемки – 60–300 кадр/с. Камера располагалась на высоте 0,5 м, оптическая ось объектива была перпендикулярна сагиттальной плоскости тела спортсмена. В непосредственной близости за спортсменом находился калибровочный экран. Проекции осей суставов на теле отмечались контрастными маркерами диаметром 0,003 м. Регистрация электрической активности мышц выполнялась восьмиканальным аппаратно-программным комплексом «Миотон» (ОКБ «РИТМ», г. Таганрог, Россия). Аппаратный блок комплекса соединялся с ноутбуком USB -кабелем, длина которого была увеличена за счет удлинителя с усилителем, что позволяло производить запись электромиограмм на заданном отрезке дистанции. Применялись кнопочные биполярные отводящие электроды REF F3010 размером 41×21 мм (Италия). Электроды устанавливались в местах локализации двигательных точек мышц вдоль мышечных волокон. Обработка огибающих электромиограммы осуществлялась посредством программного обеспечения StabMed2 . Средняя амплитуда электромиограммы определялась как отношение суммарной электрической активности к длительности активности на выделенном участке электромиограммы. Регистрировалась электрическая активность следующих мышц нижней конечности: m. rectus femoris , m. biceps femoris , m. gastrocnemius .

Расчет морфометрических характеристик мышц, необходимых для построения фазовых траекторий (длины и скорости сокращения мышцы), проводился с помощью программы MORFOMETR (разработчик – инженер кафедры биомеханики СПбГУФК им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург, В.Ю. Гнедовский). В основу расчета положены модели мышц A. Pedotti [20] и зависимости, связывающие длину мышц нижних конечностей с межзвенными углами [8]. Программа предполагает введение координат опорных точек (проекций осей суставов) с экрана монитора при использовании масштабирования и констант, характеризующих места прикрепления мышц. Результаты расчета импортируются в Microsoft Excel . Для сопоставления значений длины и скорости сокращения мышц у разных испытуемых рассчитывалась не абсолютная, а относительная длина мышц. Она определялась как процентное отношение разности длины мышцы и ее эквитонической длины к длине звена. Эквитоническая длина мышцы соответствует положению звеньев тела, при котором значение угла между тазом и бедром составляет 120°, между бедром и голенью – 130°, между голенью и стопой – 90° [5].

Результаты и их обсуждение

На рис. 1–3 показаны фазовые траектории мышц одного из испытуемых. На них схематично показано положение нижних конечностей в моменты начала и окончания периодов активности мышц, в течение которых амплитуда электромиограммы отлична от нуля.

Для m. rectus femoris наблюдаются два периода активности (рис. 1). Первый из них (I) наступает перед началом фазы опоры и заканчивается до ее окончания. Мышца в этом периоде работает в эксцентрическом режиме, и ее функция заключается в противодействии сгибанию ноги в коленном суставе при амортизации. Максимум активности приходится на начало опоры. Перед постановкой ноги на опору в момент начала активности мышцы угол в коленном суставе максимален (153°), а в момент окончания активности – минимален (133°). Вторая нога (на рисунке показана тонкой линией) в этот момент совершает перенос.

Второй период активности (II) соответствует фазе переноса. Мышца в этом периоде также работает в эксцентрическом режиме, и ее функция заключается в смене направления движения бедра и сгибании в тазобедренном суставе при одновременном инерционном сгибании голени и уменьшении угла в коленном суставе. Максимум активности приходится на момент смены направления движения бедра.

Рис. 1. Фазовая траектория m. rectus femoris при беге со скоростью 6,7 м/с. Жирные линии – мышца активна. I и II – периоды активности. Цифры на сносках – средняя амплитуда электромиограммы; н – начало опоры; к – конец опоры

Вторая нога в это время заканчивает перенос. Отличие периодов I и II состоит в том, что в первом из них меньше изменяется как длина, так и скорость сокращения мышцы. В первом случае изменение относительной длины мышцы происходит в области отрицательных значений, а во втором – в области положительных значений. Можно предположить, что это связано с различным вкладом в сокращение последовательных и параллельных упругих компонентов мышцы. Средняя амплитуда электромиограммы в первом периоде выше, чем во втором, что свидетельствует о большей значимости активности мышцы в период, соответствующий фазе опоры при беге с данной скоростью.

Для m. biceps femoris также наблюдаются два периода активности (рис. 2). Первый из них соответствует окончанию фазы переноса ноги. Бóльшую часть периода мышца работает в эксцентрическом режиме, и только в конце переходит в концентрический режим.

Рис. 2. Фазовая траектория m. biceps femoris при беге со скоростью 6,7 м/с. Жирные линии – мышца активна. I и II – периоды активности. Цифры на сносках – средняя амплитуда электромиограммы; н – начало опоры; к – конец опоры

Функция мышцы в первом периоде активности заключается в смене направления движения бедра и разгибании в тазобедренном суставе при одновременном инерционном разгибании голени перед постановкой ноги на опору. Максимум активности приходится на момент смены направления движения бедра. В момент окончания активности мышцы угол в коленном суставе максимален и составляет 153°. Существенно, что окончание активности m. biceps femoris в период I совпадает с началом активности m. rectus femoris в период I. Вторая нога в это время заканчивает отталкивание и начинает перенос. Второй период активности начинается с постановки ноги на опору и заканчивается перед окончанием фазы опоры. Мышца в этот период работает в концентрическом режиме. Ее функция заключается в разгибании в тазобедренном суставе, что при незначительном уменьшении угла в коленном суставе, которому препятствует m. rectus femoris , создает условия для горизонтального продвижения общего центра масс на опоре. Максимум активности приходится на момент наибольшего сгибания ноги в коленном суставе. Вторая нога в это время совершает перенос. Периоды I и II различаются как по диапазону изменения длины и скорости сокращения мышцы, так и по режиму ее работы.

Рис. 3. Фазовая траектория m. gastrocnemius при беге со скоростью 6,7 м/с. Жирная линия – мышца активна. I – период активности. Цифры на сноске – средняя амплитуда электромиограммы; н – начало опоры; к – конец опоры

В первом случае при переходе от эксцентрического к концентрическому режиму работы создается возможность рекуперации энергии упругой деформации.

Изменение относительной длины m. biceps femoris в обоих периодах активности происходит преимущественно в области положительных значений. Средняя амплитуда электромиограммы в первом периоде значительно выше, чем во втором, что указывает на бóльшую значимость активности мышцы в конце фазы переноса ноги при беге с данной скоростью.

M. gastrocnemius активна на протяжении одного периода, который начинается при опускании ноги перед ее постановкой на опору, и заканчивается перед завершением фазы опоры (рис. 3). Окончание активности m. gastrocnemius совпадает с окончанием второго периода активности m. biceps femoris . Примерно половину периода мышца работает в эксцентрическом режиме, вторую половину – в концентрическом. Это в большей степени, чем у других мышц, создает условия для рекуперации энергии упругой деформации при отталкивании и выражается в наличии петли на фазовой траектории. Функция мышцы заключается в предварительном сгибании стопы при одновременном инерционном разгибании голени перед постановкой ноги на опору. Она участвует в противодействии амортизационному разгибанию стопы и в ее сгибании при отталкивании. Максимум активности приходится на начало опоры, что соответствует наибольшему сгибанию стопы в голеностопном суставе, угол в котором составляет 114°. Вторая нога в это время совершает перенос. Изменение относительной длины m. gastrocnemius на протяжении всего периода ее активности происходит в области положительных значений.

Фазовые траектории мышц при беге у двух других испытуемых имеют те же характерные особенности. Исключение составляет отсутствие промежутка между периодами активности I и II m. biceps femoris у одного из спортсменов. Однако на электромиограмме на месте промежутка наблюдается значительное снижение электрической активности.

Заключение

Из анализа фазовых траекторий мышц при беге на средние дистанции следует, что активность каждой мышцы и связанная с ней организация движений характеризуется в разные периоды определенным значением морфометрических и электрофизиологических показателей. Для m. rectus femoris большое значение имеет период активности, соответствующий фазе опоры, для m. biceps femoris – период, предшествующий фазе опоры, для m. gastrocnemius – период активности в целом. В эти периоды наблюдается одновременная активность в различных режимах рассмотренных мышц – синергистов и антагонистов, что приводит к созданию необходимой жесткости и эффективной передаче усилий между группами мышц и звеньями нижней конечности. Поскольку кроме режимов работы мышц фазовые траектории позволяют оценить активность двигательного анализатора, это открывает перспективы для сравнения величины и структуры сенсорного притока от работающих мышц при выполнении соревновательного и специальных упражнений. Такое сравнение делает возможным подбор эффективных упражнений, наиболее соответствующих технике соревновательного упражнения и оказывающих на спортсмена высокое тренирующее воздействие.