1.4. Биомеханический и динамический анализ двигательного действия «Ходьба»
Жизнь ставит перед ДЦП-ребёнком те же задачи, что и перед здоровыми детьми. Но выполнить эти задачи больному ребёнку или намного сложнее, чем здоровым детям, или даже невозможно. У многих ДЦП-детей, помимо нарушений функций внутренних органов, оказываются не сформированными или недостаточно развитыми способности чувствовать, мыслить, творить, совершать движения и передвигаться (ползать на животе, на спине, на боку, на четвереньках; ходить на ногах). Поэтому всестороннему развитию ДЦП-детей надо обязательно помогать. В процессе обучении ДЦП-детей способам самостоятельного передвижения наиболее трудным является формирование навыков ходьбы на ногах. (Е.Ю. Быковская, Т.В. Быковский, В.А. Жуковская, Ю.Г.Жуковский,2006)
Ходьбу человека изучали многие исследователи: Бернштейн Н.А., Осипов Л.С, Павленко П.И., Котикова Е.А., Донской Д.Д., Дубровский В.И., Зациорский В. М и многие другие. Публикации по технике выполнения наземных локомоций человека и ходьбы в частности начиная с работ французских ученых Марея и Демени, немецких исследователей конца 19 века Брауне и Фишер, продолженных выдающимся советским ученым Н.А. Бернштейном и его учениками Д.А. Семеновым, Д.Д. Донским, и заканчивая работами на современном этапе ( В.И. Дубровский, В.Н. Федорова, 2003), содержат обширный всесторонний теоретический и экспериментальный материал о кинематике шага, опорных реакциях, характере и величинах суставных моментов мышечных сил и других биомеханических характеристиках.
Ходьбу рассматривают с позиции единства биомеханических и нейрофизиологических процессов, которые определяют функционирование локомоторной системы человека (А.С. Витензон, 1996г. ) Основой для изучения всех биомеханических наук является биомеханика ходьбы здорового человека в естественных условиях. Биомеханическая структура ходьбы включает в себя временную структуру ходьбы, кинематику ходьбы, динамику и иннервационную структуру.
Временная структура ходьбы, обычно основана на анализе результатов подографии. Подография - метод исследования, позволяющий регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой. На этом основании определяют временные фазы шага.
Рисунок 2. Простая двухконтактная подограмма
Например, исследование ходьбы с применением самой простой, двухконтактной электроподографии заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке 2 изображена ходьба в специальной обуви с двумяконтактами в области пятки и переднего отдела стопы. Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта — опора на пятку, замыкание заднего и переднего — опора на всю стопу, замыкание переднего контакта — опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги.
Рисунок 3. Временная структура шага
График самой простой двухконтактной подограммы изображается в виде подограммы правой ноги и подограмма левой ноги. ( рисунок 3) Красным цветом выделена подограмма правой ноги. То есть той ноги, которая в данном случае начинает и заканчивает цикл ходьбы — двойной шаг. Тонкой линией обозначают отсутствие контакта с опорой, затем мы видим время контакта на задний отдел стопы, на всю стопу и на передний отдел. Локомоторный цикл состоит из двух двуопорных и двух переносных фаз. По подограмме определяют интервал опоры на пятку, на всю стопу и на ее передний отдел. Временные характеристики шага выражают в секундах и в процентах к продолжительности двойного шага, длительность которого принимают за 100%.
Все остальные параметры ходьбы (кинематические, динамические и электрофизиологические) привязывают к подограмме.
Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а также с применением гироскопов — приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации ( рисунок 4 ). Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии — метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела.
Проводя кинематический анализ ходьбы, прежде всего, определяют перемещение общего центра масс тела и угловые перемещения в крупных суставах нижних конечностей и в суставах стопы.
Кинематический анализ проводят, исследуя эти движения в трех основных анатомических плоскостях тела: в сагиттальной, в горизонтальной и во фронтальной плоскости. Движения сегментов тела соотносят с фазами временной характеристики ходьбы.
Рисунок 4 Исследование кинематики ходьбы
Регистрация движений сегментов тела проводится как контактным, так и бесконтактным методом. Исследуют линейные и угловые перемещения, скорость и ускорение.
Основные методы исследования: циклография, гониометрия и оценка движения сегмента тела при помощи гироскопа.
Метод циклографии позволяет регистрировать изменение координат светящихся точек тела в системе координат.
Гониометрия — изменение угла ноги прямым методом с применением угловых датчиков и неконтактным по данным анализа циклограммы. Кроме того, применяют специальные датчики гироскопы и акселерометры. Гироскоп позволяет регистрировать угол поворота сегмента тела, к которому он прикреплен, вокруг одной из осей вращения, условно названной осью отсчета. Обычно гироскопы применяют для оценки движения тазового и плечевого пояса, при этом последовательно регистрируют направление движения в трех анатомических плоскостях — фронтальной, сагиттальной и горизонтальной.
Оценка результатов позволяет определить в любой момент шага угол поворота таза и плечевого пояса в сторону, вперед или назад, а также поворот вокруг продольной оси. В специальных исследованиях применяют акселерометры для измерения в данном случае тангенциального ускорения голени.
Для исследования ходьбы используют специальную биомеханическую дорожку, покрытую электропроводным слоем.
Важную информацию получают при проведении традиционного в биомеханике циклографического исследования, которое, как известно, основано на регистрации методом видео-, кино-, фотосъёмки координат светящихся маркеров, расположенных на теле испытуемого.
. Динамика ходьбы не может быть изучена методом прямого измерения силы, которая продуцируется работающими мышцами. До настоящего времени отсутствуют доступные для широкого использования методики измерения момента силы живой мышцы, сухожилия или сустава. Хотя следует отметить, что прямой метод, метод имплантации датчиков силы и давления непосредственно в мышцу или сухожилие применяется в специальных лабораториях. Прямой метод исследования вращающего момента осуществляется также при использовании датчиков в протезах нижних конечностей и в эндопротезах суставов.
Представление о силах, воздействующих на человека при ходьбе, может быть получено или в определении усилия в центре масс всего тела, или путём регистрации опорных реакций.
Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить — это силы реакции опоры.( рисунок 5)
Рисунок 5. Сила рекреации опоры
Сила реакции опоры это сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору. Если при стоянии сила реакции опоры равна весу тела, то при ходьбе к этой силе прибавляются сила инерции и сила, создаваемая мышцами при отталкивании от опоры.
Для исследования силы реакции опоры обычно применяют динамографическую (силовую) платформу, которая вмонтирована в биомеханическую дорожку. При опоре в процессе ходьбы на эту платформу регистрируют возникающие силы — силы реакции опоры. Силовая платформа позволяет регистрировать результирующий вектор силы реакции опоры.
Динамическая характеристика ходьбы оценивается путём исследования опорных реакций, которые отражают взаимодействие сил, принимающих участие в построении локомоторного акта: мышечных, гравитационных и инерционных.
Вступая в контакт с поверхностью опоры, стопа испытывает давление со стороны опоры, равное и противоположное тому, которое стопа оказывает на опору. Это и есть реакция опоры стопы. Эти силы неравномерно распределяются по контактной поверхности. Как и все сила такого рода их можно изобразить в виде результирующего вектора, который имеет величину и точку приложения.
Рисунок 9. Точка приложения силы реакции опоры
Точка приложения вектора реакции опоры на стопу иначе называется центром давления (рисунок 9). Это важно, для того чтобы знать, где находится точка приложения сил, действующих на тело со стороны опоры. При исследовании на силовой платформе эта точка называется точкой приложения силы реакции опоры.
Рисунок 10. Траектория приложения силы реакции опоры
Траектория силы реакции опоры в процессе ходьбы изображается в виде графика: «зависимость величины силы реакции опоры от времени опорного периода». График представляет собой перемещение вектора реакции опоры под стопой.(рисунок 10)
Нормальный паттерн, траектория перемещения реакции опоры при нормальной ходьбе представляет собой перемещение от наружного отдела пяти вдоль наружного края стопы в медиальном направлении к точке между 1 и 2 пальцем стопы. Траектория перемещения вариабельна и зависит от темпа и типа ходьбы, от рельефа поверхности опоры, от типа обуви, а именно от высоты каблука и от жёсткости подошвы. Паттерн реакции опоры во многом определяется функциональным состоянием мышц нижней конечности и иннервационной структурой ходьбы.
Рисунок 11. Инневарционная структура ходьбы
Графики электрической активности некоторых мышц в течение цикла ходьбы здорового человека (рисунок 11) Внизу электрическая активность сопоставлена с подограммой. Сплошным цветом на графиках обозначена работа мышц в уступающем режиме, штриховыми линиями — преодолевающая. Красным цветом выделены мышцы-разгибатели, синим — мышцы-сгибатели. Мышцы работают то в уступающем, то в преодолевающем режиме. Мышцы разгибатели активны, главным образом, в опорную фазу цикла (их называют мышцы опорной фазы), а мышцы сгибатели в переносную фазу (их называют мышцы переносной фазы).
Определение внешних вращающих моментов суставов главным образом, нижней конечности является на сегодня единственным объективным методом оценки внутреннего вращающего момента, который определяется мышечным усилием в различные фазы ходьбы (наряду с другими факторами: эластичность связок, сухожилий, геометрия суставной поверхности). А вот о распределении усилий различных групп мышц, о пространственно-временной характеристике работы мышц судят по данным электромиографического исследования. Эти данные соотносят с временной и силовой характеристикой каждой фазы шага и получают достаточно полное представление о работе основного двигателя человека и об управлении этим процессом.
Ходьба - циклическое локомоторное движение, осуществляемое по способу отталкивания от опоры. Характерной особенностью во всех видах ходьбы является наличие постоянного контакта с опорой одной ноги ( период одиночной опоры), или обеих ног ( период двойной опоры) ( А.Л. Фруктов, 1970г.).
При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной. Контралатеральная нога в этот момент выносится вперед. Период переноса ноги называется «фаза переноса». Полный цикл ходьбы — период двойного шага — слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности ( рисунок 12). В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение, необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60 % от цикла двойного шага, фаза переноса примерно 40 %.
Рисунок 12. Полный цикл ходьбы
Началом двойного шага принято считать момент контакта пятки с опорой. В норме приземление пятки осуществляется на её наружный отдел. С этого момента эта (правая) нога считается опорной. Иначе эту фазу ходьбы называют передний толчок — результат взаимодействия силы тяжести движущегося человека с опорой. На плоскости опоры при этом возникает опорная реакция, вертикальная составляющая которой превышает массу тела человека. Тазобедренный сустав находится в положении сгибания, нога выпрямлена в коленном суставе, стопа в положении лёгкого тыльного сгибания. Следующая фаза ходьбы — опора на всю стопу. Вес тела распределяется на передний и задний отдел опорной стопы. Другая, в данном случае — левая нога, сохраняет контакт с опорой. Тазобедренный сустав сохраняет положение сгибания, колено подгибается, смягчая силу инерции тела, стопа принимает среднее положение между тыльным и подошвенным сгибанием. Затем голень наклоняется вперёд, колено полностью разгибается, центр масс тела продвигается вперед. В этот период шага перемещение центра масс тела происходит без активного участия мышц, за счёт силы инерции. Опора на передний отдел стопы. Примерно через 65 % времени двойного шага, в конце интервала опоры, происходит отталкивание тела вперёд и вверх за счёт активного подошвенного сгибания стопы — реализуется задний толчок. Центр масс перемещается вперёд в результате активного сокращения мышц.
Следующая стадия — фаза переноса характеризуется отрывом ноги и перемещением центра масс под влиянием силы инерции. В середине этой фазы, все крупные суставы ноги находятся в положении максимального сгибания. Цикл ходьбы завершается моментом контакта пятки с опорой.
В циклической последовательности ходьбы выделяют моменты, когда с опорой соприкасаются только одна нога («одноопорный период») и обе ноги, когда вынесенная вперед конечность уже коснулась опоры, а расположенная сзади ещё не оторвалась («двуопорная фаза»). С увеличением темпа ходьбы «двуопорные периоды» укорачиваются и совсем исчезают при переходе в бег. Таким образом, по кинематическим параметрам, ходьба от бега отличается наличием двуопорной фазы.
Однако, Н.А. Бернштейн выделяет несколько иные фазы: фазу передней опоры, фазу отталкивания, задний шаг и передний шаг. ( Н.А. Бернштейн, Л.С. Осипов, П.И. Павленко,1940). Но это мнение нисколько не противоречит мнениям других ученых.
Фаза передней опоры начинается с момента касания ногой грунта ( при приземлении) и длится до момента вертикали, когда общий центр массы ( ОЦМ) тела находится точно над опорой. Фаза отталкивания начинается с момента вертикали и заканчивается в момент снятия ноги с грунта. Это наиболее важная фаза поскольку именно здесь происходит отталкивание опорной ногой от грунта и сообщение ОЦМ тела горизонтального ускоренияв направлении общего движения ( Е.А. Котикова, 1939). Фаза заднего и переднего шага связана с переносом ноги после окончательного отталкивания: до момента вертикали – задний шаг, от вертикали и до постановки на опору – передний.
Таким образом, анализ кинематики, опорных реакций и работы мышц различных частей тела убедительно показывает, что в течение цикла ходьбы происходит закономерная смена биомеханических событий. «Ходьба здоровых людей, несмотря на ряд индивидуальных особенностей, имеет типичную и устойчивую биомеханическую и иннервационную структуру, то есть определённую пространственно-временную характеристику движений и работы мышц» (А.С.Витензон, К.А.Петрушанская, 2003). Вместе с тем накопленные более чем за столетний период данные мало чем принципиально отличаются друг от друга по базовым, фундаментальным вопросам. И как не парадоксально, но эту информацию только частично можно использовать в процессе совершенствования техники ходьбы на современном этапе ( В. Гемалий, 2005).