Стабілографія

Трудова та спортивна рухова діяльність у багатьох випадках вима­гає від людини здатності досить економічно і з високим робочим ефектом утримувати певні робочі пози, видозмінювати їх, зберігаючи рівновагу свого тіла у просторі. Біомеханічні раціональні рухи та по­зи часто визначають кінцевий результат тієї чи іншої діяльності лю­дини й тому є предметом детального дослідження фахівців. Ще у ми­нулому столітті угорський лікар Ромберг ввів у клінічну практику спостереження за вертикальним положенням тіла та розробив мето­дики оцінки ступеня коливання тіла і тремору кінцівок. Ним було до­ведено, що оцінка вертикального положення тіла є важливим індика­тором функціонального стану організму людини, її здоров'я.

У практиці спорту часто зустрічаються різні статичні положення та пози. До таких статичних положень відносять різні стійки, виси, упори у спортивній гімнастиці, стартові положення у легкій атлетиці, плаванні та інших видах спорту, пози важкоатлетів, стрільців тощо. Роль цих положень та поз як елементів спортивної техніки може бу­ти зовсім різною, якщо розглядати їх основні три фази — початкову, проміжну та кінцеву. Залежно від того, до якої з цих фаз належить досліджувана статична поза, можна конкретно оцінити її роль в ефек­тивному розв'язанні рухового завдання. Про значну роль статичних положень та поз у спорті свідчить і той факт, що у змаганнях за суд­дівськими правилами регламентується фіксація статичних поз.

Процес збереження положення та пози тіла — це складний про­цес управління та регуляції. Тіло людини, з біомеханічної точки зору, у біостатиці можна уявити як багатоланкову механічну систему, що складається з ряду ланок, котрі не деформуються. Ці ланки з'єднані за допомогою шарнірів, в котрих діють суглобні моменти, що забез­печують жорсткість статичного положення усієї рухомої системи. Для оцінки умов рівноваги тіла людини нині досить широко застосовуєть­ся методика стабілографії. Останнім часом ця методика, окрім дослід­ження власне біомеханічних основ стійкості, застосовується також для вивчення функціонального стану організму людини, стерпності до навантажень статичного характеру, оцінки координаційних мож­ливостей людини з точки зору професійного відбору. За всієї склад­ності електронного комплексу апаратури, що використовується у ме­тодиці стабілографії, людина за час вимірювань не обтяжується прик­ріпленням датчиків до біоланок її тіла: їй лише необхідно стати на стабілографічну платформу та виконати відповідний контрольний тест.

Здатність зберігати рівновагу є однією з найважливіших умов за­безпечення життєдіяльності організму людини. Методика, що забез­печує можливість кількісного та якісного аналізу стійкості стояння, власне й називається стабілографією. Крива зміни координат ЗЦМ ті­ла при збереженні стійкості стояння називається стабілограмою (рис. 2.4.).

б.

в. а.

Рис. 2.4. а) ускладнена поза Ромберга (основна стійка на носках, стопи на ширині плеч, руки вгору) на стабілоплатформі з реєстрацією на ПК в реальному часі: б) годографа стабілограми (проекції коливань ЗЦМ на горизонтальній площині); в) часу, амплітуди та частоти коливань ЗЦМ у напрямках: вперед-назад, вправо-вліво.

Метод стабілографії дає змогу вивчати біомеханічні характеристики ру­хів людини, а також дозволяє:

• кількісно оцінювати стійкість тіла людини та системи тіл;

• контролювати хід навчання різних видів рівноваги в оздоровчому тренуванні та спорті;

• проводити тестування стану спортсменів перед змаганням;

• визначати адаптацію до тренувальних навантажень;

• здійснювати професіональний відбір найздатніших індивідуумів за головними кількісними показниками стабілографії, їх 3:

1) чим більше час утримання рівноваги (t_ЗЦМ) в заданій біостатичній позі (БП), тим краще розвинений вестибулярний аналізатор, тому t_ЗЦМ → max;

2) чим менше амплітуда коливань ЗЦМ (А_ЗЦМ) у фронтальній та сагітальній площинах, тим краще розвинений вестибулярний аналізатор, тому А_ЗЦМ → min;

3) чим більше частота коливань ЗЦМ (γ_ЗЦМ), або кількість коливань ЗЦМ в одиницю часу у фронтальній та сагітальній площинах, тим краще розвинений вестибулярний аналізатор:

γ_ЗЦМ = n/t (гц) → max (рис. 2.4.).

Сучасні дослідження свідчать про те, що частота коливань ЗЦМ є головним чинником розвитку міжм`язової координації і вестибулярного аналізатору та знаходиться в межах:

• у звичайної людини - 4-6 гц, 4-6 коливань за сек.;

• у спортсменів - 10-12 гц, 10-12 коливань за сек.;

• окремі види спорту - 15-18 гц, 15-18 коливань за сек.;

• акробати-еквілібристи - 20-25 гц, 20-25 коливань за сек.

Іншими словами це означає, що чим більше частота коливань ЗЦМ (γ_ЗЦМ) при виконанні вправ на рівновагу, тим більше разів за одиницю часу тіло людини повертається у положення стійкої рівноваги. Тому ймовірність падіння зменшується і якість виконання вправи висока.

Останнім часом, ця методика, окрім дослідження власне біомеханічних умов стійкості, застосовується також для вивчення функціонального стану людини, витримки навантажень статичного характеру, оцінки координаційних можливостей людини з точки зору професійного відбору.

Комп'ютерна стабілографія являє собою метод, що дозволяє здійснювати об'єктивну реєстрацію коливань центра ваги, який знаходиться на стабілоплатформі людини, що фіксуються датчиками як переміщення центра тиску (рис. 2.5). Причиною коливань центра ваги є дихальні рухи, циркуляція крові, а також функціональний стан ЦНС і рецепторного апарата, що контролюють рухову мускулатуру, що й обумовлює зворотні впливи різних соматичних і нервових розладів, інтоксикацій і стомлення на систему рівноваги людини. З огляду на вищесказане, а також простоту реєстрації стабілографічних показників, можливість одержання їх без відволікання людини від виконуваної діяльності і високу чутливість даного методу представляється можливим використовувати стабілографію як дуже зручний метод оцінки динаміки функціонального стану людини в умовах функціональних порушень, різних захворюваннях ЦНС і опорно-рухового апарата. Крім того, комп'ютерна стабілографія є перспективним методом не тільки при діагностиці, але і при реабілітації (з використанням методу зорового зворотного зв'язку) порушень після дитячого церебрального паралічу, пост-інсультних геміпарезів і інших порушень рухових функцій. В експериментальній моделі операторської діяльності на екрані комп'ютера імітувалася задача спостереження льотчика за об'єктом у повітрі, здійснюване за допомогою джойстика. Отримані спектральні характеристики стабілограм значно мінялися при зниженні рівня працездатності (погіршенні якості спостереження), причому ці зміни були подібними у різних обстежуваних і виражалися в різкому збільшенні частки повільних, високо-амплітудних коливань у стабілограмі. Таким чином, стабілографічний метод може бути корисний при оцінці реакції організму людини на навантаження, ціни адаптації до неї і при побудові прогнозу ефективності роботи людини в різних умовах.

Рис. 2.5. 3D модель на комп’ютерному стабілографі "МБН – Стабілометрія"

Стабілоаналізатори комп’ютерні. Принципи будови і функціональні можливості. Стабілоаналізатор комп'ютерний КСК-4 являє собою комплекс технічних і програмно-методичних засобів на основі комп'ютерної стабілографії, яким забезпечується можливість реєстрації, обробки й аналізу траєкторії переміщення центра тиску (ЦД), що робиться людиною на площину опори в процесі підтримки нею вертикальної пози. Траєкторія переміщення ЦД представляється на екрані монітора ПЭВМ у виді стабілограм, тобто в часі в сагітальному і фронтальному напрямках, і в двовимірному просторі у виді стато-кінезіграми.

Утримання людиною рівноваги є динамічним феноменом, що вимагає безупинного руху тіла, що є результатом взаємодії вестибулярного і зорового аналізаторів, суглобово-м'язової проприорецепції, центральної і периферичної нервової системи.

До достоїнств комп'ютерної стабілографії можна віднести:

• комфортність обстеження, що проводиться на спеціальної стабілоплатформі в одязі і взутті в вертикальному положенні чи сидячи, тобто в комфортних умовах, що не вимагають спеціальної підготовки пацієнта чи кріплення на ньому датчиків;

• малий час обстеження, що складається з часу знімання інформації (звичайно в межах 20-60 секунд) і часу перегляду отриманих даних і аналізу результатів обробки, що при масових обстеженнях не перевищує 1-2 хвилини; інформативність дослідження, що дозволяє оцінювати як загальний стан людини, так і стан цілого ряду фізіологічних систем, що беруть участь у процесі підтримки вертикальної пози;

• високу чутливість до впливу на людину, що дозволяє об’єктивно оцінювати його реакцію на фізичні і психічні впливи, на прийом лікарських засобів і навіть запахи;

• багатофункціональність, що дозволяє використовувати стабілографію, як діагностичний засіб широкого спектра захворювань і перед-захворювань, як засіб контролю й об'єктивну оцінку впливів на людину, а також як засіб реабілітації порушень стато-кінетичної функції людини, тренування її координації.

За 10 років розвитку вітчизняної комп'ютерної стабілографії тільки 3-м організаціям вдалося довести розробки до рівня серійного освоєння медичної техніки, це:

ЗАТ "УНИИМП-ВИТА" (м. Москва); науково-медична фірма "МБН" (м. Москва); ЗАТ ОКБ "Ритм" (м. Таганрог).

У таблиці 2.1. приведені в порівнянних показниках основні технічні характеристики комп'ютерних стабіліграфів цих організацій.

Фірма (місто), модель (рік)	Координати ЦД, мм	Дозвол. здатність, мм	Точн. оцінки кoорд.		Маса пацієнта, кг	Дозвол. здатність. АЦП, біт	Потрібна потужність,	ВА	К-сть датчи- ків	Габарити мм	Маса, кг
ЗАТ" ВНИИМП - ВІТА" (м. Москва) Стабилотест-К (1996)	+ 50	0,15;		0,001	+2	до 150	10-12	5	4	400х370х50	3
	+ 150	0,2				20-120	11		12	600х400х120	80
	+ 150	0,2				20-120	11		4	500х400х50	15
	+ 125	0,2					11		3	400х400х50	8
ЗАТ ОКБ "Ритм" (м.Таганрог) КСК-123-3 (1997) КСК-4.2 (1999) К-4.3 (1999)	+ 160			0,1-006;	+ 5	30-150	12	5	4	400х350х80	7
	+ 150			0,006	+ 2	20-150	16	20	4	400х350х70	6
	+ 200			0,006	+ 1,5	20-150	16	20	4	480х480х70	8

Таблиця 2.1. Основні технічні характеристики стабілографів.

За технічними показниками стабілоаналізатори комп'ютерних КСК-4 мають ряд переваг перед розробками інших організацій, насамперед , по динамічному діапазону дозволяючої здатності.

У 2000 році зразки стабілоаналізатора комп'ютерного КСК-4 пройшли заводські, приймальні технічні і медичні іспити, а також були вирішені питання сертифікації їх, як виробів медичної техніки.

До концептуально-значимих показників стабілоаналізаторів КСК-4 варто віднести забезпечення можливості статичних стабілографічних досліджень, при яких на нерухомій стабілоплатформі забезпечується оцінка коливань центра тиску в 2-х ортогональних напрямках: сагітальному (Y) і фронтальному (X). Вимір моментів сили, що виникають у сприймаючій силу поверхні стабілоплатформи, по яких може бути оцінене положення центра маси випробуваного, у даній розробці не передбачений, як і в інших вітчизняних розробках, а також у переважній більшості закордонних аналогів. Справа в тім, що для людини зв'язок моментів сили, що виникають у стабілоплатформі, і положенням його центра маси існує, але він нелінійний, що утрудняє аналіз одержуваних сигналів і сильно ускладнює розрахунки. Це переконливо показали дослідження, проведені під керівництвом Б.А.Потьомкіна в Інституті машинознавства РАНЕЙ (м. Москва) ще в 1996 році.

У розробках стабілоплатформ, проведених в ОКБ "Ритм", була звернена увага на рухливість опорної поверхні стабілоплатформи у вертикальному напрямку в процесі обстеження людини. Цей показник звичайно ніде не обумовлюється і залежить від специфіки використовуваних датчиків і конструкції стабілоплатформи. Однак людина виявляється дуже чуттєвою до цього показника. У стабілографах типу КСК-2 (тобто друге покоління) рухливість опорної поверхні стабілоплатформи досягала значення 2 мм (реально - 1 мм), на що звертали увагу більшість випробуваних. У розробках інших вітчизняних організацій цей показник досягає значення 5 мм і більш, але не обумовлюється. У стабілографах же 4-го покоління КСК-4 удалося знизити цей показник у порівнянні з попередніми розробками цього ряду на порядок, тобто до рівня 0,1 мм, що дозволяє зберегти природність поводження людини при стабілографічному обстеженні і виключає зовнішні впливи, які збурюють, з боку вимірювального пристрою.

Принциповим при проектуванні стабілоплатформи, як чуттєвої частини комп'ютерного стабілоаналізатору, є вибір методу перетворення сили в електричний сигнал для оцінки реакцій опор, по яких обчислюються їх рівнодіюча, називана звичайно центром тиску, і її координати. Існує кілька методів перетворення сили в електричний сигнал: контактний, реостатний, тензометричний, ємнісний, п'єзоелектричний, електромагнітний, механічний, струменевий, оптично-електронний і ін. В ОКБ "Ритм" використано тензометричний метод.

Не менш важливим і відповідальної є вибір конструкції пружного елемента для реалізації тензо-резисторного датчика сили. За десять років розвитку стабілографів типу КСК в ОКБ "Ритм" були випробувані тензометричні чуттєві елементи, виконані в декількох варіантах:

• у вигляді порожнього циліндра з усіченими бічними поверхнями по авторському посвідченню Сафронова О.И.;

• у виді тонкостінних трубок у серійних датчиках Краснодарського заводу тензо-резисторних приладів типу ЛХ-143 і ЛХ-144;

• у виді розрізаних кілець оригінальної конструкції.

У стабилоаналізаторах типу КСК-4 у підсумку використовуються дво-консольні вигнуті датчики паралелограмного типу оригінальної конструкції, запропонованої старшим науковим співробітником НДІ нейрокібернетики ім.А.Б.Когана Ростовського державного університету Д.В. Кривцом. У сполученні з останніми досягненнями в області інтегральної мікро-схемотехники, орієнтованими на знімання і перетворення сигналів з тензо-резисторних бруківок схем, вдалося досягти унікального динамічного діапазону - більш 65000 дискрет на діапазон виміру координат центра тиску, як у сагітальному, так і у фронтальному напрямках. Це дозволило довести здатність в оцінці координат до значення менш ніж 0,01 мм по всьому полю виміру (400x400 мм) і відмовитися від вибору масштабу перетворення вхідних сигналів. Таке технічне рішення істотно спростило методики проведення стабілографічних досліджень без ризику втрати інформації чи необхідності повторних досліджень.

Використання сучасних досягнень в інтегральній схемо-техніці для реалізації електронних вузлів дозволило також виключити підстрокові елементи, автоматизувати процес підготовки стабілоплатформи до роботи, вирішивши програмно-апаратним способом такі задачі, як компенсація початкових механічних напруг, сполучення ЦД випробуваного з початком координат і облік індивідуальних показників датчиків опорних реакцій. Вибір тензометричних датчиків опорних реакцій, що дозволяють, на відміну від п’єзо-керамічних, вимірювати постійну складову реакцій опор, вирішив по ходу справи і проблему вимірювання ваги. Хоча цей показник у людини міняється повільно, проте, виявлення тенденції його зміни в сполученні з деякими стабілографічними показниками здобуває особливу значимість, наприклад, у прогнозах динаміки процесу лікування.

Досягнута в стабилоаналізаторах КСК-4 висока надмірність у динамічному діапазоні, дозволяє з досить високим дозволом (до 6-7 двоїчних розрядів) оцінювати динаміку ваги випробуваного, що перетворює стабілоплатформу в показник баллістичності. Вивчення інформативної значимості цього додаткового каналу тільки починається, але вже зараз можна з упевненістю сказати, що в цьому каналі надійно виявляється механічна робота серця і процес подиху (особливо в положенні "сидячи на стабілоплатформі"), а спектр балистограм у діапазоні до 0,2 Гц досить близько збігається зі спектром стабілограм, що вимагає спеціального вивчення.

З необхідністю вбудовування додаткових каналів для синхронного знімання зі стабілограм деяких фізіологічних сигналів довелося зустрітися ще в 1993 році. Спочатку це був канал пульсометрії з використанням фото-плетизмографічного пальцевого датчика. В даний час для реалізації пульсометрії використовується знімання електрокардіограми з одного відведення, що підвищило точність варіаційного аналізу. На основі тензометричних датчиків освоєні і вбудовуються додатково в КСК-4 канали для знімання периметричного подиху, кистьової і станової сили.

Програмно-методичне забезпечення комп'ютерної стабілографії дозволяє реалізувати широкий набір методик для діагностики, стабілографічних досліджень і реабілітації порушень опорно-рухового апарата.

Набір методик стабілографічного аналізу дозволяє проводити медико-біологічні дослідження з метою диференціальної діагностики вестибулярної, мозжечкової і сенситивної атаксій і дослідження участі різних сенсорних систем організму в установці тіла. Він надає можливість проведення математичної обробки стато-кінезіграми (СКГ) при виконанні різних функціональних проб:

• статичної рівноваги;

• мінімізації коливань тіла;

• динамічної рівноваги;

• зі стимуляцією (оптичної, електричної, вібраційної й ін.).

За результатами математичної обробки в базі даних пацієнта зберігаються значення декількох традиційних параметрів обробки статокинезіграми (швидкість переміщення ЦД, площа СКГ, середній радіус відхилення й ін.) і 17 параметрів її векторного аналізу. Мається можливість проведення гістограмного і спектрального аналізу, обчислення трендів і додаткової фільтрації сигналу. При повторних дослідженнях передбачена оцінка динаміки стабілографічних показників пацієнта і визначення індивідуальної норми.

Методика оцінки запасу стійкості знаходить застосування в ортопедії і протезуванні. Дозволяє оцінити можливість відхилення тіла вперед, назад, вправо і вліво. По асиметричності отриманої зони можна судити про сховане порушення регуляції пози і перевазі його в якому-небудь напрямку.

Набір реабілітаційних і розвиваючих тренажерів виконаний у виді комп'ютерних стабілографічних ігор з використанням активного зорового біологічного зворотного зв'язку (БОС), дозволяє істотно скоротити терміни відновлення функції рівноваги в неврологічних (особливо пост-інсультних), нейрохірургічних (після операцій на головному і спинному мозку), травматологічних, хірургічних і терапевтичних (після дотримання тривалого постільного режиму) хворих. Ігрова стабілографія сприяє підвищенню якості функції рівноваги спортсменів, артистів балету, а також відновленню працездатності людей, професія яких зв'язана з необхідністю тривалого збереження статичної пози.

Розроблений в співдружності з ОКБ "Ритм" апаратно-програмний комплекс "Статокінезіметр - Стабілан" по своєму прямому призначенню використовується для дослідження функції рівноваги і статокінетичної стійкості людини методом комп'ютерної стабілографії (у термінології закордонних колег - статокінезіметрії). Відомо, що під час довільної підтримки вертикальної пози постійно здійснюється т.зв. "рухливу рівновагу" (Н.А. Бернштейн, 1947; А.А. Ухтомский, 1954). Його сутність полягає в безупинному перерозподілі м'язового тонусу в основних групах анти гравітаційної мускулатури, спрямованому, в остаточному підсумку, на стабілізацію положення в просторі тіла людини і, зокрема , таких його результуючих параметрів, як загальний центр мас (ЗЦМ) і центр тиску (ЦТ).

У коливальний процес ЗЦМ і ЦТ, що і є предметом дослідження при стабілометрії, нерівнозначно інтегрують свій внесок ведучі сенсорні системи людини - вестибулярна, проприоцептивна і, у меншому ступені, зорова системи.

Комп'ютерний комплекс знаходить велике застосування в експертній практиці, зокрема , у лікарсько-літній експертизі офіцерів ВВС, де найменша помилка при ухваленні рішення про допуск до польотів повинна бути виключена. Ступінь комфортності довільного утримання вертикальної пози - важливий показник психоневрологічного здоров'я людини, і синхронне зі стабілометрією дослідження геодинамічних реакцій у значній мірі допомагає в рішенні цих питань.

Висновки. Як бачимо, метод стабілографії дає змогу кількісно оцінювати стійкість тіла людини та системи тіл; контролювати хід навчання різних видів рівноваги в оздоровчому тренуванні та спорті; проводити тестування стану спортсменів перед змаганням; вивчати стерпніть до тренувальних навантажень; здійснювати на основі даних стабілографії найбільш здібних людей для виконання певних професійних обов’язків; фіксувати приймання людиною певних фармакологічних препаратів і алкоголю; проводити реабілітацію хворих після перенесення важких хвороб та різних травм.