Кінематика і динаміка опорно-рухового апарату людини

Дослідження кінематики і динаміки опорно-рухової системи людини дає можливість вивчати закономірності руху організму в просторі і часі, а також визначити ефективність цих рухів. Дослідження в цій галузі проводились давно (Гален, Леонардо да Вінчі, Бореллі та ін.), де, крім людського організму, розглядалися опорно-рухові системи комах та тварин. На сьогодні, у зв'язку із потребами медицини І спорту, в основному, увага приділяється людині, при цьому головні проблеми, які знаходяться у полі зору дослідників, можна сформулювати так:

• оптимізація виконання рухів і на цій основі розроблення рекомендацій
для лікувальної фізкультури і спорту;

• аналіз рухів у хворих для діагностики функціональних порушень;

• аналіз можливих наслідків при можливих змінах у руховій системі
хворого при корекції рухових аномалій;

• відношення людини і машини в медицині праці, оптимізація конструкцій
органів керування;

• конструювання рухомих ланок для протезування і ортезування;

• створення маніпуляторів і крокуючих апаратів.

• Загальна кількість ступенів рухомості людського тіла визначається з (6.1):

Р = 6*144 - 5*81- 4*33 - 3*29 = 240.

Для здійснення більшості довільних ізольованих рухів організм людини не використовує повною мірою свої рухові можливості. Більше цього, для виконання високо координованих рухів йому необхідно "нейтралізувати" так звані надлишкові ступені вільності тих чи інших біоланок тіла.

Біокінематичні ланцюги опорно-рухового апарату слід розглядати як специфічні локомоторні біомеханізми, в яких початковий рух однієї або декількох біоланок викликає однозначно визначені рухи інших. На відміну від технічних, постійних механізмів, в опорно-руховому апараті можуть виникати найрізноманітніші рухові механізми з однозначно визначеними переміщеннями біоланок. Для ефективного виконання рухів під час трудової діяльності чи виконання фізичних вправ аналітико-синтетична діяльність нервової системи людини спрямована на реалізацію певної конкретної кінематичної структури власних локомоторних механізмів.

Під час руху тіла ступені вільності знаходяться під контролем нервово-м'язового апарату, тому відбувається постійна зміна швидкостей і прискорень окремих ланок. Причому структура рухового апарату людини допускає виключно обертальний рух. За допомогою аналізу кінематичних ланцюгів поступальні рухи зводяться до обертальних рухів в суглобах.

Рух тіла визначається не тільки м'язовими силами, але й силами реакцій, силою ваги, інерційними силами, силами тертя і пружними силами. Останні мають особливо важливе значення для нагромадження потенціальної енергії в деформованих пружних елементах опорно-рухової системи (зв'язки, сухожилля, м'язи) при виконанні рухів. Потенціальну енергію розтягнутого пружного елемента можна визначити за формулою

де Е - Модуль Юнга; S - площа перерізу; / , Д/ -початкова довжина і абсолютна деформація, відповідно.

Це дозволяє значно зменшувати енергетичні затрати організму при виконанні циклічних рухів. Наприклад, під час бігу реальні затрати енергії єв 2-3 рази меншими від розрахункових, в яких приймалося, що вся енергія деформації за рахунок сил тертя перетворюється в тепло.

Все це демонструє труднощі розрахунку динаміки реальних рухових процесів. Тому для дослідження просторових рухів людини часто використовують спеціальні методи.

Першою ланкою біомеханічного аналізу рухових процесів є біокінематичний аналіз, який здійснюється за допомогою широкого набору реєструючих пристроїв. Кінореєстраціявикористовується для виготовлення кінограм-послідовних фотографічних зображень всіх важливих фаз досліджуваних рухів з обов'язковою присутністю орієнтирів (міток) на тілі людини, інформації про швидкість кінознімання та інтервалів часу між відзнятими кадрами. Кінограми є основним матеріалом для побудови біокінематичних схем (рис.7.5). Отримані абстрактні біокінематичній ланцюги дозволяють за допомогою простих геометричних методів визначати їх рухомість, а також траєкторії переміщення, лінійні та кутові швидкості і прискорення біоланок.

Особливий інтерес у дослідників становить аналіз крокових рухів людини. Для дослідження хвороб рухового апарату в ортопедії, неврології, спортивній і космічній медицині широко використовуються методи аналізу крокових рухів людини.

Рис.7.5.Біокінематична схема крокових рухів.

Вперше подібний аналіз був проведений Бореллі у 60-х роках XVII ст. для дослідження поведінки центру ваги тіла людини під час руху. У 1873 р. Марні для дослідження центру ваги тіла під час крокування використав багатократне фотографування із системою орієнтирів (білі стрічки на фоні чорного одягу). У 1895 р. Брауне і Фішер вдосконалили метод фотореєстрації. Вони визначили траєкторії і швидкості переміщення сегментів тіла при крокуванні, а за відомими масами частин тіла та координатами центрів їх розміщення оцінили розмір задіяних сил на всіх стадіях крокування.

Сучасні методи біомеханічного аналізу рухового апарату характе­ризуються великим різноманіттям технологій і математичних моделей.

Експериментальні методи містять три головні компоненти: кінематичну, кінетичну і електроміографічну.

Кінематичні дослідження полягають у визначенні траєкторій, швидкостей і прискорень сегментів тіла без визначення причин руху. Для їх проведення використовуються тривимірні калібровані відео-комп'ютерні системи, які дозволяють отримувати кінематичні параметри виконаних рухів і проводити їх автоматизоване оброблення.

Кінетичні дослідженняпроводяться для визначення сил і моментів в сегментах тіла і точки їх прикладання при виконанні рухів. Наприклад, при дослідженні крокових рухів за виміряними на силовій (тензометричній) платформі опорними реакціями І встановленими зв'язками частин тіла з опорними реакціями розраховуються моменти сил, які діють на сегменти кінцівок. Знак моменту вказує на те, за рахунок якого м'яза (згинаючого чи розгинаючого) здійснюється рух. Аналіз отриманих даних дозволяє визначити виконану м'язову роботу і потужність м'язових скорочень.

Електроміографія- вимірювання електричної активності м'язів за допомогою поверхневих або інвазивних голчастих електродів.

Одним з напрямів біомеханічних досліджень рухового апарату людини є дослідження механізмів підтримування рівноваги тіла і поведінки людини в критичних, з точки зору можливості зберігання рівноваги, умовах. Визначення ступеня стійкості тіла і потенціальних можливостей механізмів регулювання рівноваги може здійснюватися як експериментальними дослідженнями, подібними до розглянутих, так і моделюванням.

Типовим прикладом пози є стояння людини. Зберігання рівноваги при стоянні можливе в тому випадку, якщо проекція центру ваги тіла знаходиться в межах площі, яку займають на площині опори стопи ніг.

Оскільки при стоянні вертикаль, проведена через центр ваги тіла, прохо­дить перед гомілковостопними та колінними суглобами і ззаду від осі тазостегнових суглобів, тому на ці суглоби діють моменти сил ваги, які розміщені вище від ланок тіла. Для підтримування пози необхідне напруження багатьох м'язів. Підтримування пози - це активний процес, який супроводжується постійною активністю одних груп м'язів і періодичною активацією інших. Останнє пов'язане з невеликими коливаннями центру ваги тіла у сагітальнійі фронтальнійплощинах {центр ваги тіла збігається з початком соматичної системи координат(рис.7.6).

Рис.7.6. Соматична система координат:

а - фронтальна площина; Р - сагітальна (медіальна) площина; У - поперечна

площина.

У підтримуванні пози беруть участь зворотні зв'язки від рецепторів, зокрема вестибулярного апарату. Коливання центру ваги можуть бути зареєстровані спеціальним приладом - стабілографом,в якому використовується система тензоперетворювачів. Аналіз записів коливань тіла людини (стабілограми)спільно із записами електричної активності м'язів (електроміограми)дозволяють виявляти ряд захворювань.

Поиск по сайту: