книги / Экспериментальные методы в биомеханике

восновном для изучения спортивных локомоций. Существуют системы смешанного типа, и предназначены они как для исследований

вспорте, так и для медицинских целей. Отсутствие специализации ограничивает их использование в медицине. В настоящее время разработаны первично-медицинские системы (CFTC, GaitTrak, VICON-370). CFTC – это первая система регистрации и анализа походки, рассчитанная исключительно для нужд практического здравоохранения. Результаты исследования передаются в центр клинической обработки данных, что позволяет пациенту получить полное клиническое заключение специалиста в течении 48 часов, а предварительное – в тот же день. Центр клинической обработки данных имеет базу результатов обследования за период более чем 15 лет. Такая организация сервиса позволяет лечебным учреждениям, не имеющим квалифицированных специалистов, получать необходимую информацию, минуя процесс долгой подготовки специалиста. Система GaitTrak – более ориентирована на научные исследования, хотя производитель активно работает в области создания экспертных систем. VICON-370 – это последняя модель известной во всем мире системы анализа походки. Это наиболее развитая система регистрации и анализа данных. Несмотря на высокую стоимость, данная система заслуженно пользуется высоким спросом. Такой популярности VICON-370 во многом обязана не только своим техническим параметрам, но и удобному пользовательскому интерфейсу.

9.7. Исследование биопотенциалов мышц

Исследование биоэлектрической активности мышц проводится методом электромиографии (ЭМГ), подробно рассмотренным в гл. 8. Для исследования активности мышц нижней конечности при ходьбе в основном применяется метод поверхностной ЭМГ.

Метод игольчатой ЭМГ не получил широкого внедрения в клиническую практику в силу своей инвазивности и некоторых других недостатков.

Для регистрации поверхностной ЭМГ используются электроды

351

проведении исследования заполняется специальным гелем. При проведении поверхностной ЭМГ необходимо точно соблюдать следующие правила наложения электродов:

•кожа в месте расположения электрода должна быть обезжи-

рена;

•поверхность электродов смазана электродным гелем;

•электрод необходимо фиксировать в месте двигательной точки мышцы.

Двигательная точка мышцы – это зона наиболее электрически возбудимого участка мышцы.

Одним из требований при проведении ЭМГ-исследования является непосредственная близость пациента от электромиографа, так как длина кабеля, соединяющего электроды со входом ЭМГусилителя, не должна превышать 1 метр. Это связано с тем, что при большей длине собственная емкость кабеля приводит к изменению амплитуды регистрируемого сигнала, а при длине кабеля 5–10 м уровень помех сравним с амплитудой полезного сигнала. Поэтому при ЭМГ-исследовании локомоций используют дополнительные аппаратные решения, например:

•регистрация первичного сигнала на носимое портативное устройство;

•предварительное усиление сигнала с помощью носимого портативного блока, соединенного кабелем необходимой длины с блоком оконечного усилителя;

•передача сигнала по беспроводному каналу передачи данных. В последние годы наибольшее распространение находит метод

предварительного усиления. Новейшие системы регистрации ЭМГ для исследования движений содержат предварительный усилитель непосредственно в колодке для крепления электрода. Преобразованный сигнал передается по тонкому кабелю непосредственно в компьютер для последующей обработки и дальнейшей интерпретации.

Процесс первичной обработки поверхностной ЭМГ начинается с конвертирования аналогового сигнала в цифровую форму с помощью аналогоцифрового преобразователя. Дальнейшая обработка сигнала происходит на компьютере. В связи с тем, что поверхност-

352

ная ЭМГ – это высокочастотный сигнал, для метрологически правильного преобразования сигнала в цифровую форму каждый канал ЭМГ должен опрашиваться аналого-цифровым преобразователем с частотой не менее 2500 Гц. Такое значительное количество данных требует соответствующих ресурсов памяти компьютера, а цифровой анализ или другие преобразования таких данных занимают много времени. Другой подход заключается в том, что сигнал проходит полную обработку, выпрямление и сглаживание в аналоговой форме, после чего уже оцифровывается. В данном случае для оцифровки предварительно обработанной ЭМГ требуется частота порядка 50–100 Гц. Если учитывать необходимость сохранения данных всего исследования (10–20 с), то разница в количестве занимаемых килобайт памяти оказывается весьма существенной.

Поверхностная ЭМГ достаточно сложна для прямой интерпретации, поэтому сегодня применяется два основных метода представления данных ЭМГ-исследования.

Первый метод заключается в определении порогового уровня амплитуды, ниже которого принимается отсутствие мышечной активности. Этот метод удобен для проведения первичной оценки и дает представление о моменте возникновения и продолжительности активности мышцы в цикле шага, однако при этом картина реальной активности мышцы сильно упрощается.

Второй способ представляет собой интегрированный профиль биоэлектрической активности мышцы, приведенный к циклу шага. Обработанная таким образом ЭМГ носит название интегрированной ЭМГ (ИЭМГ). Процесс обработки ЭМГ состоит из следующих этапов:

– инвертирование всех колебаний определенной полярности

иполучение ЭМГ-колебаний одной полярности;

–сглаживание сигнала с помощью низкочастотного фильтра.

353

9.7.Контрольные вопросы

1.Назовите основные методы исследования биомеханики по-

ходки.

2.Опишите технологию исследования временных характеристик шага.

3.Опишите технологию исследования углов между сегментами нижней конечности.

4.Опишите технологию исследования пространственных характеристик шага.

5.Опишите технологию регистрации реакций опоры.

6.Опишите технологию видеорегистрации движений человека.

7.Опишите технологию исследования электрической активности мышц.

Список литературы к главе 9

1.Виноградов В.И. Руководство по протезированию / В.И. Виноградов. – М.: Медицина, 1988.

2.Витензон А.С. Закономерности нормальной и патологической ходьбы человека / А.С.Витензон. – М.: ЦНИИПП, 1998.

3.Искусственная коррекция движений при патологической ходьбе / А.С. Витензон, Е.М. Миронов, К.А. Петрушанская [и др.].

М.: ЦНИИПП, 1999.

4.Душин С.И. Методика определения траектории точки приложения опорной реакции / С.И. Душин, Е.Н. Свечкопал // Протези-

рование и протезостроение. – 1989. – Т. 85. – С. 82–87.

5.Зациорский В.М. Нахождение усилий мышц человека по заданному движению / В.М. Зациорский, Б.И. Прилуцкий // Современные проблемы биомеханики. – 1992. – № 7. – С. 81–123.

6.Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов. – М.: Физкультура и спорт, 1981.

7.Колесников Г.Н. Дискретные модели механических и биомеханических систем с односторонними связями / Г.Н. Колесников. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2004.

355

8.Мертен А.А. Функциональная взаимосвязь костной и мышечной систем / А.А. Мертен. – Рига: Зинатне, 1986.

9.Образцов И.Ф. Оптимальные биомеханические системы / И.Ф. Образцов, М.А. Ханин. – М.: Медицина, 1989.

10.Рахикайнен А. Использование вращающегося диска при фотосъемке движений человека / А. Рахикайнен // Российский журнал биомеханики. 2003. – Т. 7, № 1. – С. 50–68.

11.Скворцов Д.В. Клинический анализ движений. Стабилометрия / Д.В. Скворцов. – М.: Антидор, 2000.

12.Скворцов Д.В. Клинический анализ движений. Анализ походки / Д.В. Скворцов. – Иваново: Стимул, 1996.

13.Фарбер Б.С. Теоретические основы построения протезов

Т.И. Долганова [и др.] // Российский журнал биомеханики. – 2007. –

Т. 11, № 2. – С. 41–49.

15.Akulich Yu.V. The calculation of loads acting on the femur during normal human walking / Yu.V. Akulich, R.M. Podgaets, A.V. Sotin

//Russian Journal of Biomechanics. – 2000. – Vol. 4, No 1. – P. 49–61.

16.Kolesnikov G.N. Hip joint force intervals computed with appli-

356

Глава 10 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ

Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его для окисления органических веществ, преобразование энергии химических веществ в биологически полезные формы и выделение углекислого газа. Минутное потребление кислорода человеком в состоянии покоя составляет 250 мл, выделение углекислого газа 230 мл.

10.1.Структура и функции дыхательной системы

Вдыхательной системе выделяют воздухопроводящую и рес-

пираторную зоны [15, 18–22], ( рис. 10.1, 10.2).

Рис. 10.1. Воздухоносные пути и респираторные отделы

К воздухопроводящей зоне относятся верхние дыхательные пути (носовые ходы, носоглотка, полость рта, придаточные пазухи носа) и нижние дыхательные пути (гортань, трахея, все бронхи).

Функция воздухопроводящей зоны заключается в увлажнении воздуха до 95–98 %, его согревании или охлаждении до 31–32 оС, очищении воздуха.

357

10.1.1. Значение легких в физиологических процессах

Главная функция легких – дыхательная. Кроме этого, легкие выполняют и важные негазообменные функции.

1.Участвуют в регуляции содержания биологически активных веществ во внутренней среде организма:

а) обеспечивают превращение ангиотензина–I в ангиотензин–II, повышающий артериальное давление;

б) ингибируют норадреналин на 30 %, брадикинин на 80 %, простагландины;

в) при патологии выделяют серотонин, брадикинин, гистамин

ивызывают нежелательные реакции.

2.Выполняют защитную функцию, включающую:

а) очищение воздуха в воздухоносных путях (60% пыли задерживается в носовых ходах);

б) выработку иммуноглобулина A и выделение его в бронхиальную слизь;

в) рефлекторные акты, предупреждающие попадание веществ в дыхательные пути (например, рефлекс ныряльщика, задержка дыхания при действии резко пахнущих веществ);

г) рефлексы изгнания веществ (кашель, чихание).

3.Депонируют кровь в малом круге кровообращения.

4.Участвуют в терморегуляции.

5.Являются органом выведения СО2 (поддержание рН крови).

6.Участвуют в регуляции уровня липидов в крови: гистиоциты легких – депо для липидов.

10.1.2. Вентиляция легких

Этапы дыхательного процесса – вентиляция легких (внешнее дыхание), обмен газов в легких, транспорт газов кровью, обмен газов в тканях и тканевое дыхание. В данном учебном пособии мы рассмотрим лишь процессы вентиляции легких.

Вентиляция легких, или внешнее дыхание – это газообмен между легкими и атмосферным воздухом. Внешнее дыхание обеспечивается процессами вдоха и выдоха. Поступление воздуха при

359

вдохе связано с расширением грудной клетки и увеличением ее объема, изгнание воздуха из легких при выдохе – с уменьшением объема и сужением грудной клетки (рис. 10.3).

Рис.10.3. Изменение объема грудной клетки при вдохе и выдохе

10.2. Биомеханика вдоха и выдоха

10.2.1. Биомеханика вдоха

Спокойный вдох (инспирация) является активным процессом, он обеспечивается за счет сокращения инспираторных мышц – диафрагмы и наружных межреберных. При вдохе грудная клетка увеличивается в трех направлениях:

1) в вертикальном направлении – за счет сокращения диафрагмы и опускания ее сухожильного центра примерно на 2 см. При этом отодвигаются вниз внутренние органы брюшной полости. Такое перемещение диафрагмы возможно вследствие того, что точки прикрепления периферических частей диафрагмы к внутренней поверхности грудной клетки находятся ниже купола диафрагмы

(рис. 10.4);

360