на стыке каких наук образовалась биомеханика ответ на тест

История биомеханики

В статье «История биомеханики» рассмотрены следующие вопросы: зарождение биомеханики как науки, роль научных методов в развитии биомеханики, вклад русских ученых в развитие биомеханики, современное состояние биомеханики как учебной дисциплины и науки. В статье показан вклад в развитие биомеханики выдающихся ученых: Леонардо да Винчи, Э. Майбриджа, Н.А.Бернштейна, П.Ф.Лесгафта, А.В.Хилла и многих других.

Самсонова, А.В. История биомеханики /А.В. Самсонова // Труды кафедры биомеханики: Междисциплинарный сборник статей /НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург; сост. А.В. Самсонова, С.А. Пронин.- СПб.: Из-во «Олимп», 2009.– Вып.2.– С. 4-15.

Самсонова А.В.

ИСТОРИЯ БИОМЕХАНИКИ

Зарождение биомеханики как науки

«Сделай так, чтобы книга об элементах механики с ее практикой предшествовала бы демонстрации движения и силы человека и других животных, и посредством таковых ты сможешь доказать каждое твое утверждение».

Движения живых существ интересовали человека с давних времен. Однако отсутствие научных методов их изучения ограничивало возможности оценки значения механизмов, лежащих в основе движений. Тем не менее, такие ученые, как Аристотель, Клавдий Гален, Леонардо да Винчи, заложили основы науки о движениях человека и животных.

Аристотель (384-322 до н.э.) – выдающийся греческий ученый, предпринял первые попытки классификации движений животных и человека Он пытался понять значение реакции опоры при ходьбе, считал целесообразным сгибание ноги в колене в фазу опоры, так как это позволяло уменьшить вертикальные колебания туловища. Аристотель может считаться первым биомехаником, так как написал трактаты: «De Motu Animalium» – «Движения животных» и «On the Gait of Animals” – «Ходьба животных» (P.R.Cavanagh, 1990).

Велик вклад в изучение функций организма человека Клавдия Галена (129 – 201 г.г. н.э.) – анатома, врача и естествоиспытателя, который считается классиком античной медицины. Клавдий Гален был врачом римского императора Марка Аврелия и написал более 400 трактатов по медицине, среди которых есть труд о функциях человеческого тела. Изучая анатомию и физиологию, Гален широко использовал опыты на животных. Он установил, что задние корешки спинного мозга являются чувствительными, а передние – двигательными. Гален опровергал мнение Аристотеля о мозге как о железе, выделяющей слизь для охлаждения теплоты сердца. Он считал, что мозг является средоточием движения, чувствительности и душевной деятельности (Большая Советская Энциклопедия).

В развитии биомеханики особенно велика роль Леонардо да Винчи (1452 – 1519) – выдающегося итальянского живописца, скульптора, архитектора, учёного и инженера. Как художник, Леонардо да Винчи большое внимание уделял изучению анатомии, особенно пропорций человеческого тела. Сохранилось огромное количество рисунков Леонардо да Винчи, посвященных исследованию расположения мышц и внутренних органов (Тетради по анатомии, рис. 1).

Леонардо да Винчи придавал особое значение точным наукам в изучении функций человека. «Пусть не читает меня в основах моих тот, кто не математик» – писал он. Изучая ходьбу, бег и другие движения человека, Леонардо да Винчи высказал мысль о необходимости использования достижений механики для их исследования. Он писал: «Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые существа, имеющие способность к движению, действуют по ее законам». В анатомических исследованиях Леонардо да Винчи, обобщая результаты вскрытий, рассматривал организм как образец «природной механики». Леонардо да Винчи впервые описал функции некоторых костей и нервов, высказал новаторские предположения об антагонизме мышц. В опытах с удалением различных органов у животных Леонардо да Винчи стремился ввести экспериментальный метод в биологию. Как учёный и инженер Леонардо да Винчи обогатил проницательными наблюдениями почти все области науки того времени, рассматривая свои заметки и рисунки как подготовительные наброски к гигантской энциклопедии человеческих знаний. Скептически относясь к популярному в его эпоху идеалу учёного-эрудита, Леонардо да Винчи был наиболее ярким представителем нового, основанного на эксперименте естествознания.

Большой вклад в развитие биомеханики как науки внес итальянский астроном, математик и врач Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679), который так же, как и Леонардо да Винчи, рассматривал мышцы и опорно-двигательный аппарат животных и человека с позиций механики (рис. 2).

Кроме того, он рассмотрел работу веретенообразных и перистых мышц (рис. 3);

привел первые модели мышц (рис. 4), а также описал движения живых существ: ходьбу, бег, плавание, полет.

Следует отметить, что математический аппарат того времени более всего был приспособлен для изучения статических положений человека, так как знаменитая книга Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», в которой были заложены основы дифференциального и интегрального исчислений, была опубликована в 1686 году, через семь лет после смерти Борелли (В.Т.Назаров, 1974).

Последующее развитие биомеханики как науки связано с трудами немецких ученых – братьев Эдуарда и Вильгельма Веберов. Эдуард Вебер был анатомом, а Вильгельм – физиком. В 1836 году они издали книгу «Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge» – «Механика ходьбы человека» (Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона). В этой книге они привели данные о кинематических характеристиках ходьбы человека. Однако несовершенство используемых методик не позволило провести анализ быстротекущих двигательных действий. В биомеханике мышц до сих пор справедлив принцип, впервые сформулированный Э. Вебером: «Сила мышц, при прочих равных условиях, пропорциональна ее поперечному сечению» (Е.К.Жуков, Е.Г.Котельникова, Д.А.Семенов, 1963).

Роль научных методов в развитии биомеханики

“…наука движется толчками в зависимости от успехов, делаемых методикой. С каждым шагом методики вперед, мы как бы поднимаемся ступенью выше, с которой открывается нам более широкий горизонт, с невидимыми ранее предметами”.

Проникновение в биомеханику подлинно научных методов исследования связано с французским изобретателем Жаком Луи Дагером (1787 – 1851). В 1839 году им был разработан первый практический способ фотографии.

Дальнейший шаг по внедрению научных методов исследования в биомеханику был сделан французским физиологом Этьеном-Жюлем Мареем (1830-1904). Э.Ж. Марей разработал метод пневмографии – записи опорных реакций с помощью передачи давления воздуха. В подошвы ботинка человека встраивались воздушные камеры. Во время опоры давление воздуха в камере повышалось, оно передавалось по трубочкам на прибор, который испытуемый держал в руке (рис.5).

Это позволило определить длительность периодов опоры и полета при ходьбе и беге. Более серьезным изобретением Э.Ж. Марея является силовая платформа, позволяющая регистрировать величину реакции опоры при отталкивании (P.R.Cavanagh, 1990). В 1877 году американский фотограф Эдвард Майбридж (1830-1904), пытаясь разрешить спор о положении лошади во время быстрого бега, поставил в ряд 12 фотокамер, а вдоль беговой дорожки натянул тонкие нити. Лошадь при беге обрывала нити и спускала затвор камеры. Результатом стали серии фотографий, показывающих точное положение лошади в различные моменты времени. В 1887 году Эдвард Майбридж опубликовал труд «Движения животных: электрофотографическое исследование последовательных фаз движений животных. 1872-1885», в котором представил более 20000 снимков различных движений человека и животных (рис. 6).

В 1880 году Э.Ж. Марей изобрел хронофотографию – фотографирование всего движения на одну пластинку. Чтобы это сделать, перед фотоаппаратом устанавливался вращающийся диск с прорезями. Когда прорезь открывает доступы светового потока к объективу, на пластине фиксируется положение человека. В результате съемки на одной пластине получается ряд положений человека в последовательные моменты времени. Первые хронофотографии были очень плохого качества, рис. 7 (Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона).

В дальнейшем Этьен-Жюль Марей ограничил число заснимаемых точек движущегося объекта. «Он одел человека с головы до ног в черное трико и на голову набросил капюшон. Из всей поверхности тела он оставил светлыми только узенькие полоски вдоль осей звеньев конечностей, да голову отметил светлой точкой. Полоски были сделаны из серебристой галунной тесьмы. Теперь на его фотографиях стали появляться палочковые схемы-человечки из спичек (рис. 8).

Благодаря узости этих спичек он мог заснимать фазы движения гораздо более часто, не боясь, что одна фигура наложится на другую. (Н.А. Бернштейн, 1990.– С. 252). Следующий шаг вперед был связан с заменой светящихся полосок яркими маркерами, которые крепились на центры суставов. Хронофотография уступила место циклографии.

В конце XIX века немецкие ученые Вильгельм Брауне и Отто Фишер опытным путем (на нескольких замороженных трупах) определили относительный вес отдельных частей тела человека (головы, туловища, плеча, предплечья и т.д.), а также положение центров тяжести звеньев тела. Это позволило начать экспериментальное изучение динамики двигательных действий.

Вклад русских ученых в развитие биомеханики

«…сложные мышечные движения действительно мало доступны анализу со стороны состава и действующих в них мышц; тем более, что во многих случаях состав этот и условия действия мышц меняются во время самого движения. Но ведь в рабочем мышечном движении важна не эта сторона, а направление движения, его сила (т.е. производимое движением давление или тяга), протяжение (длина пути) и скорость – стороны, допускающие опытное измерение».

Значительный след в развитии биомеханики оставили отечественные ученые: П.Ф. Лесгафт, И.М. Сеченов, А.А. Ухтомский.

Петр Францевич Лесгафт (1837 – 1909) – известный анатом, педагог, основал высшее учебное заведение, которое носит теперь его имя (Национальный университет физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф.Лесгафта). В своем труде «Основы теоретической анатомии», первое издание которого датируется 1892 годом, П.Ф. Лесгафт рассмотрел ряд проблем, смежных с биомеханикой: механические свойства биологических тканей; особенности строения и соединения костей в зависимости от действующих на них сил (рис.9); особенности функционирования перистых мышц; морфометрические характеристики мышц (длина волокна, площадь поверхности опоры, расстояние от места прикрепления мышцы до оси вращения в зависимости от противодействия внешним силам и функции в организме).

На основе анализа морфометрических характеристик мышц П.Ф. Лесгафт предложил новую классификацию скелетных мышц (мышцы сильные и мышцы ловкие). П.Ф.Лесгафт писал: « …мышцы по преимуществу сильные начинаются и прикрепляются к большим поверхностям, удаляясь по мере увеличения поверхности прикрепления от опоры рычага, на которой он действует; физиологический поперечник таких мышц относительно мал, несмотря на что они могут проявить большую силу при небольшом напряжении, почему и не так легко утомляются. Они действуют преимущественно всею своею массою и не могут производить мелких оттенков при движении; силу свою они проявляют с относительно малою скоростью и состоят чаще всего из коротких мышечных волокон. Мышцы второго типа, отличающиеся ловкостью в своих действиях, начинаются и прикрепляются на небольших поверхностях, близко к опоре рычага, на который действуют; физиологический поперечник их относительно велик, они действуют с большим напряжением, скорее утомляются, состоят чаще всего из длинных волокон и могут действовать отдельными своими частями, производя различные оттенки движений. Это будут мышцы, допускающие главным образом ловкие и быстрые движения» (П.Ф.Лесгафт, 1905,С. 249-250).

Иван Михайлович Сеченов (1829-1905) – известный русский физиолог, окончил медицинский факультет Московского университета, получил также хорошее техническое образование в артиллерийском училище. Это позволило ему, кроме исследований по физиологии, внести солидный вклад в биомеханику рабочих движений. В 1901 он издал книгу «Очерк рабочих движений человека», в которой подробно рассмотрел следующие вопросы: работу опорно-двигательного аппарата (ОДА) как рабочей машины (формы суставов, плечи сил тяги мышц); механику мышечного сокращения (факторы, определяющие силу мышцы); биомеханические свойства мышцы (в частности, упругие свойства мышцы); функции верхней и нижней конечностей человека как рабочей машины. Кроме этого, детальному биомеханическому анализу были подвергнуты некоторые физические упражнения: сгибание рук в висе, присед и вставание на одной ноге «пистолет», рис. 10.

Значительную роль в развитии отечественной биомеханики сыграла книга профессора Ленинградского университета, академика Алексея Алексеевича Ухтомского (1875 – 1942) «Физиология двигательного аппарата», изданная в 1927 году. В предисловии к этой книге А.А. Ухтомский писал: «Критика древнейших понятий механики, вроде «силы», «давления», «сопротивления» и т.п., дала известное право утверждать, что человек строил их из безотчетных аналогий с тем, что он наблюдал при работе своей мускулатуры. Если это так, то непосредственный опыт над своей мускулатурой был родоначальником всех наших представлений о движении и его законах…Построив вычислительную науку о движении и механизмах, человек возвращается к собственной мускулатуре с новой задачей – переработать свои сведения о ней по образцу учения о внешних механизмах» (А.А.Ухтомский, 1927, С. 1). В книге «Физиология двигательного аппарата» А.А. Ухтомский (1927) подробно рассмотрел вопросы, посвященные механическим свойствам мышц, а также зависимость силы мышцы от анатомических и физиологических факторов (рис. 11).

Очень подробно изложены вопросы энергетики мышечной деятельности. В отдельный раздел вынесены вопросы биомеханики ОДА. Звенья ОДА человека рассмотрены с позиций теории машин и механизмов – как рычаги первого, второго и третьего рода. Соединение звеньев ОДА человека представлено в виде кинематических пар и цепей. Дана классификация суставов по степеням свободы и формула расчета степеней свободы. Одним из первых А.А. Ухтомский высказал мысль о том, что управление движениями есть устранение избыточных степеней свободы. Он писал: «Для каждого отдельного момента движения нашего тела более или менее правильно действующие механизмы достигаются настолько, насколько устраняются все свободы перемещения, за исключением одной, а это достигается распределением тонуса, титанического сокращения и расслабления (торможения) в мускулатуре» (А.А. Ухтомский, 1927, С. 150). Пытаясь обозначить предмет биомеханики как науки, он указывал: «Биомеханика изучает ту же систему нервно-мышечных приборов как рабочую машину, то есть задается вопросом, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести определенное рабочее применение» (А.А. Ухтомский, 1927, С.140).

Биомеханика на рубеже веков и тысячелетий

«Описательный анатом знает только мертвый материал. Механику недостаточно известен ни живой, ни мертвый организм, чтобы правильно уяснить существующие при этом отношения и структуры. Физиолог будет исследовать функцию живого организма только путем экспериментов. Любое одностороннее исследование, проведенное только с помощью одного метода, недостаточно объективно, чтобы исчерпать гармонические проявления жизни».

В конце XIX века стало ясно, что дальнейшее развитие биомеханики требует применения не только высокоточных, но комплексных методик. Этьен Жюль Марей один из первых сумел синхронизировать две экспериментальные методики, сопоставив опорную реакцию в фазе отталкивания в ходьбе с хронофотографией (рис. 12).

Николай Александрович Бернштейн (1896 – 1966) – выдающийся русский физиолог и биомеханик, много времени посвятил изучению биомеханики спортивных и трудовых движений.

В начале 20-х годов XX века он, используя методику циклосъемки, получил огромный фактический материал по кинематике и динамике ходьбы, бега и прыжка. Полученные результаты Н.А. Бернштейн обобщил в книге «Исследования по биодинамике ходьбы, бега и прыжка», которая была опубликована в 1940 году. Понимая недостаточность информации, получаемой от циклографической методики, Н.А. Бернштейн придавал большое значение электромиографии – методике регистрации биопотенциалов мышц. Он указывал: «Весь длительный опыт нашей экспериментальной работы над движениями человека показал, что случаи, когда при данном движении фактически напрягаются совсем другие мышцы, в другое время и другим образом, чем это ожидалось бы по элементарному анатомическому анализу, гораздо более часты, чем те, когда поведение мышц до конца понятно и классично» (Н.А. Бернштейн, 1990.– С. 30). Всемирную славу Н.А. Бернштейну принес труд «О построении движений», вышедший в свет в 1947 году. В этом исследовании Н.А. Бернштейн по-новому рассмотрел вопросы управления двигательными действиями, формирования двигательных навыков, а также онтогенез моторики.

Большой вклад в изучение механизмов мышечного сокращения внес английский физиолог Арчибалд Вивиен Хилл (1886-1977). В 1923 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытия в области теплообразования в мышце». Будучи по образованию математиком (закончил Кембриджский Университет), Арчибалд Хилл предложил описание зависимости скорости укорочения мышцы от значений внешней нагрузки (характеристическое уравнение Хилла).

Конец ХХ и начало XXI знаменуется внедрением в биомеханику информационных технологий. При этом возросли возможности биомеханики как учебной и научной дисциплины. В настоящее время разработаны электронные учебники и компьютерные программы, применяемые при изучении дисциплины «Биомеханика» в институтах физической культуры. Широкое распространение получили программно-аппаратные комплексы (ПАК), позволяющие в режиме реального времени обрабатывать данные, поступающие в компьютер. Примером одного из таких комплексов является система регистрации движений фирмы Qualisys (рис. 13).

При выполнении двигательного действия в компьютер одновременно поступает информация с видеокамер, тензодинамометрической платформы, а также от электромиографической методики. Эта информация обрабатывается компьютером, после чего результаты представляются в табличном и графическом видах.

В настоящее время активно развивается направление под названием компьютерное моделирование, позволяющее создавать новые варианты движения на основе знаний законов биомеханики, структуры двигательных действий и имеющихся данных о биомеханических характеристиках спортсменов.

Литература

Электронные ресурсы

Источник

Биомеханика

Содержание

Биомеханика человека — составная часть прикладных наук, изучающих движение человека

Движения частей тела человека представляют собою перемещения в пространстве и времени, которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движения в суставах по своей форме и характеру очень разнообразны, они зависят от действия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены в целостные организованные действия, которыми человек управляет при помощи мышц. Учитывая сложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую, и биологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи.

Поскольку человек выполняет всегда осмысленные действия, его интересует, как можно достичь цели, насколько хорошо и легко это получается в данных условиях. Для того чтобы результат движения был лучше, и достичь его было бы легче, человек сознательно учитывает и использует условия, в которых осуществляется движение. Кроме того, он учится более совершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти его способности, чем существенно отличается от биомеханики животных.

Таким образом, биомеханика человека изучает, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Всякое изучение движений, в конечном счете, направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Прежде, чем приступить к разработке лучших способов действий, необходимо оценить уже существующие. Отсюда вытекает общая задача биомеханики, сводящаяся к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. Биомеханика исследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение. Рабочий эффект измеряется тем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. То же самое должно быть известно о силах, которые производят вредную работу, снижающую эффективность полезных сил. Такое изучение дает возможность сделать выводы о том, как повысить эффективность действия. При решении общей задачи биомеханики возникают многочисленные частные задачи, не только предусматривающие непосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ей подчиненные.

Метод биомеханики — системный анализ и системный синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений. Биомеханика, как наука экспериментальная, эмпирическая, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики, например траектории скорости, ускорения и др., позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части — устанавливают её состав. В этом — суть системного анализа.

Система движений как целое — не просто сумма её составляющих частей. Части системы объединены многочисленными взаимосвязями, придающими ей новые, не содержащиеся в её частях качества (системные свойства). Необходимо представлять это объединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе — её структуру. В этом — суть системного синтеза. Системный анализ и системный синтез неразрывно связаны друг с другом, они взаимно дополняются в системно-структурном исследовании.

При изучении движений в процессе развития системного анализа и синтеза в последние годы все шире применяется метод кибернетического моделирования — построение управляемых моделей (электронных, математических, физических и др.) движений и моделей тела человека.

Клиническая биомеханика

Основные методы исследования:

Задачи и содержание спортивной биомеханики (биомеханика спорта)

Как самостоятельная научная дисциплина биомеханика физических упражнений обогащает теорию физического воспитания, исследуя одну из сторон физических упражнений— технику. Вместе с тем, биомеханика физических упражнений непосредственно используется в практике физического воспитания. Как учебный предмет биомеханика содержит главные положения учения о движениях, обобщенный и систематизированный опыт изучения общих объективных закономерностей. Объект познания биомеханики — двигательные действия [человек],а как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Задачами спортивной биомеханики являются:

Биомеханика физических упражнений делится на общую, дифференциальную и частную.

Биомеханика занимает особое положение среди наук в физическом воспитании и спорте. Она базируется на анатомии, физиологии и фундаментальных научных дисциплинах — физике (механике), математике, теории управления. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе «психобиомеханика», энергостатические и эстетические аспекты биомеханики.

Инженерная биомеханика

Составная часть медико-биологической науки Протезостроение

Спортивная биомеханика (Биомеханика спорта)

Биомеханика трудовых действий и рабочих поз

Составная часть науки эргономика (гигиена труда).

Теоретическая биомеханика

Теоретическая биомеханика — наука, основанная на применении математической методологии и математического аппарата.

Компьютерная биомеханика

Одним из ответвлений теоретической биомеханики является компьютерная биомеханика, компьютерное моделирование. Она интенсивно развивается, пополняя теоретическую биомеханику новыми знаниями.

Театральная биомеханика

Методы исследования в биомеханике

В настоящее время биомеханика обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции, как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма. Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.

Методы исследования, получившие наибольшее распространение в настоящее время, в клинической биомеханике могут быть классифицированы следующим образом:

I. Соматометрические: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.

II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.

III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.

Соматометрия

Антропометрия

При клиническом и биомеханическом обследовании используются методы антропометрии с целью получения информации о половых и возрастных особенностях испытуемых об особенностях строения опорно-двигательного аппарата в норме и при патологии, важной информации об осанке. Обычно перед проведением специальных биомеханических исследований измеряют рост пациента стоя и сидя, длину конечностей, амплитуду движений в крупных суставах, определяют массу его тела. При помощи отвесов производят зарисовку диаграммы стояния — проекции на горизонтальную плоскость осей суставов нижних конечностей и таза. Это дает возможность составить представление об архитектонике нижних конечностей при удобном стоянии, определить величину разворота осей суставов в проекции на горизонтальную плоскость, угол разворота стоп, расстояние между внутренними поверхностями ног на различных уровнях и т. д.

Фотограмметрия

К антропометрическим методам сбора и анализа информации относится способ изучения схемы построения опорно-двигательного аппарата в виде так называемой фотограмметрии. Кратко техника фотограмметрии состоит в следующем: обследуемому предлагают принять естественную, наиболее привычную, удобную позу стояния. Перед ним устанавливают кадровую рамку с сантиметровыми делениями по горизонтальным и одной из вертикальных сторон. Через середину рамки натянута нить, служащая отвесом. Фотографируют и для графического анализа изготавливают фотоснимки, на которых измеряют расстояние в сантиметрах между передневерхними остями таза, наклон бедер по анатомическим осям относительно вертикали, расстояние между центрами коленных суставов, наклон голеней по анатомическим осям, угол физиологического вальгуса голеней, расстояние между центрами опоры стоп. Этот метод даст возможность определить возрастные особенности схемы построения опорно-двигательного аппарата в норме и при различных патологических состояниях.

Метод оптической компьютерной топографии

Кинезиологические методы

Целенаправленные движения человека (локомоции) представляют собой устойчивый паттерн движения, характеризующийся определенными кинематическими, динамическими, временными и пространственными параметрами. Вся совокупность последних может рассматриваться как биомеханическое проявление двигательного образа, который складывается для каждого конкретного человека в период постнатального онтогенетического развития и претерпевает изменения в результате изменений на любом уровне двигательного анализатора в зависимости от возраста и условий функционирова¬ния жизнеобеспечивающих систем организма. Естественно, что регистрация кинезиологических параметров движения является необходимой для его характеристики, и при нарушениях функции опорно-двигательного аппарата, и при изучении локомоции спортсмена.

Наиболее достоверные сведения о движении могут быть получены с помощью оптических методов, которые обеспечивают комплексную регистрацию любого количества точек тела человека и внешней обстановки относительно пространственно-временной координатной сетки и дают информацию о кинематике исследуемых точек в форме, удобной для математического анализа. Координаты же, как известно, есть тот материал, из анализа которого может быть почерпнуто максимальное количество сведений о протекании снятого движения. Циклография (от цикла… и …графия), метод изучения движений человека путём последовательного фотографирования (до сотен раз в секунду) меток или лампочек, укрепленных на движущихся частях тела. Впервые фотографирование фаз движения было предложено в 80-х гг. 19 в. французским учёным Э. Мареем. Н. А. Бернштейн в 20-х гг. 20 в. усовершенствовал и модифицировал Ц., например он предложил кимоциклографию — съёмку на передвигающуюся плёнку. На основе анализа циклограмм — циклограмметрии — для ряда движений были получены данные о траектории отдельных точек тела, о скоростях и ускорениях движущихся частей тела, что дало возможность вычислить величины сил, обусловливающих данное движение. Эти сведения легли в основу современных представлений о принципах управления движениями человека, использованы при изучении спортивных движений, двигательных нарушений и др. К Ц. близок метод киносъёмки движений с последующей обработкой кадров наподобие циклограмм.

Наиболее простым и часто применяемым на практике видом киносъемки является фотограмметрия. Эта съемка представляет собой регистрацию движений человека и объектов окружающей среды в плоскости, перпендикулярной оптической оси аппарата. При этом аппарат устанавливается так, чтобы в его поле зрения находилось все, что будет подвергнуто изучению и последующему анализу. Полученные с помощью оптических методов регистрации экспериментальные данные подвергаются математической обработке. В качестве датчиков («светящихся точек») для получения кинематических характеристик движений конечностей применяют метки или электрические лампочки, которые укрепляют на исследуемых суставах. Снаряжение испытуемого почти невесомо, поэтому оно не вносит никаких изменений в структуру двигательного образа.

Конвергентная стереофотограмметрическая съемка и зеркальная циклограмметрия тождественны. Действительно, зеркальная циклограмметрическая съемка под углом а (угол между главной оптической осью киноаппарата и плоскостью зеркала — угол съемки) есть не что иное, как съемка двумя аппаратами, оптические оси которых конвергируют под углом а. Вычисление пространственных координат производится по формулам математической зависимости между пространственными координатами помещения (в случае, если съемка производится в камеральных условиях) и координатами перспективных изображений. Кроме аналитических методов, в настоящее время нашли широкое распространение различные номографические приемы, основанные на известных положениях синтетической геометрии.

Номограмма, с помощью которой осуществляется обработка изоинформации, представляет собой функциональную сетку и служит для получения реальных (действительных) координат любой фиксированной точки на сегменте или суставе конечности.

Электромеханические методы

В настоящее время в биомеханических исследованиях широкое распространение получили, наряду с оптическими, и электрические методы регистрации. Это можно объяснить в первую очередь тем, что информация, представленная в виде электрических сигналов, является удобной для обработки радио- и электронными приборами. Кроме того, большинство процессов, протекающих в живых организмах, сопровождается различными электрическими явлениями, что облегчает получение информации в виде электрических сигналов.

При использовании электрических методов регистрации неэлектрических величин (каковыми являются кинематические и динамические составляющие движения) в практике биомеханических исследований применяют измерение и регистрацию кинематических составляющих движения осуществляются с помощью линейных потенциометрических датчиков 2 типов: с входной функцией в виде углового и линейного механического перемещения. Потенциометрические датчики преобразуют функцию механического перемещения в аналоговый электрический сигнал, который затем регистрируется в соответствующем масштабе.

Исследование динамических составляющих движения осуществляют с помощью тензоменрических методов. В качестве тензочувствительного элемента используют различные тензодатчики — датчики давления. Тензодатчики применяются для определения вертикальных составляющих реакции опоры при ходьбе (ихнография) или для регистрации стабилограмм.

Подография — регистрация времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе с целью изучения функции переката исследуется при помощи специальных датчиков, вмонтированных в подошву обуви.

Клинико-физиологические методы

Информация о функциональной анатомии опорно-двигательного аппарата человека и биомеханических параметрах движения не может достаточно полно охарактеризовать весь комплекс процессов, происходящих в организме в условиях двигательной активности. С целью изучения механизма управления движениями, их энергообеспеченности в биомеханических исследованиях применяются некоторые физиологические методы. Из обширного арсенала методов современной физиологии избираются те средства функциональной оценки жизнеобеспечивающих систем организма, которые в сочетании со специальными биомеханическими методами дают возможность глубже изучить процесс формирования двигательного навыка и реакции организма па реализацию движения. В связи с этим наиболее широко в клинико-биомеханических исследованиях используются различные варианты кардиографии, электроэнцефалография, электромиография, косвенная калориметрия и другие методы функциональной диагностики.

Калориметрия

Энергия, высвобождаемая организмом в процессе жизнедеятельности, переходит непосредственно в работу механическую, электрическую, физико-химическую и т. д., при этом высвобождается некоторое количество тепла. Всё тепло, отдаваемое организмом, даёт сумму энергетических превращений за определенный промежуток времени.

Количество выделяемого тепла может быть определено непосредственно в специальной калориметрической камере, в которую помещают испытуемого. Впервые такая камера была построена в 1880—1886 гг. на кафедре общей патологии Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова В. В. Пашутиным. Однако в настоящее время применяется более простой метод непрямой калориметрии, который состоит в исследовании лёгочного газообмена и последующем пересчёте количества потребляемого кислорода в единицы тепловой энергии. Теоретические обоснования метода непрямой калориметрии базируются на том, что вся энергия, высвобождающаяся в процессе жизнедеятельности человека, есть результат распада (окисления) жиров, белков и углеводов. Экспериментально установлено среднее количество тепла, освобождающегося при окислении 1 г каждого из указанных веществ. Установлен и тепловой эквивалент кислорода при окислении этих веществ.

Энергетические траты здорового человека складываются из: 1) основного обмена, 2) прироста обмена вследствие специфически-динамического действия принятой пищи, 3) прироста обмена в результате мышечной работы.

Основной обмен составляет наименьшую интенсивность обмена веществ, которая необходима для обеспечения жизнеспособности. Энергетически он выражается в величинах теплопродукции в состоянии покоя. Основной обмен определяется не ранее, чем через 12—18 ч после приема пищи, в условиях полного мышечного и психического покоя, при температуре окружающего воздуха 18—20 °C.

Наиболее распространенным в настоящее время методом непрямой калориметрии является метод Дугласа — Холдена. Суть его заключается в том, что испытуемый дышит атмосферным воздухом, причем выдыхаемый воздух собирается в мешок из прорезиненной ткани емкостью 100—150 л. Количество выдыхаемого воздуха за данное время измеряется газовыми часами, а качественный состав исследуется в газоанализаторе Холдена.

Электромиография

Для изучения деятельности мышц в процессе выполнения двигательного акта используется электромиография. Ещё в 1884 г. Н. Е. Введенским описан опыт телефонического прослушивания потенциалов действия мышц человека, а в 1907 г. немецкий физиолог Н. Piper впервые зарегистрировал их с помощью струнного гальванометра. Однако практическую значимость электромиографические исследования приобрели лишь с 30-х годов после создания специализированных усилителей биопотенциалов и концентрических игольчатых электродов, позволивших не только исследовать функцию двигательной единицы, но и расшифровать значение компонентов электромиограммы (ЭМГ), снятой накожными электродами.

Отведение электромиограммы в настоящее время осуществляется двумя способами: накожными и игольчатыми электродами, позволяющими избирательно регистрировать активность одной двигательной единицы. Применение накожного биполярного отведения с межэлектродным расстоянием 20—25 мм позволяет регистрировать суммарную активность многих двигательных единиц. Развитие электромиографии привело к появлению специальной области клинической электрофизиологии — клинической электромиографии, находящей широкое применение в нервной и хирургической клиниках, в ортопедии и протезировании, в клинической и спортивной биомеханике. В последние годы область применения метода электромиографии существенно расширилась за счёт использования биопотенциалов мышц в качестве показателя в системах адаптивного регулирования мышечного тонуса.

История

История биомеханики неразрывно связана с историей техники, физики, биологии и медицины, а также с историей физической культуры и спорта. Многие достижения этих наук определяли развитие учения о движении живых существ.

Современную биомеханику нельзя представить без законов механики, открытых Архимедом, Галилеем, Ньютоном, без физиологии Павлова, Сеченова, Анохина, так как и без современных компьютерных технологий.

Истоки биомеханики

В своих естественнонаучных трудах «Части движения и перемещение животных», Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет назовут наукой биомеханикой. В своих научных трактатах он свойственной ему мышлением описывает животный мир и закономерности движения животных и человека. Он писал о частях тела, необходимых для перемещения в пространстве (локомоции), о произвольных и непроизвольных движениях, о мотивации движений животных и человека, о сопротивлении окружающей среды, о цикличности ходьбы и бега, о способности живых существ приводить себя в движение…

Величайшим ученым-медиком античного времени (после Гиппократа) был Клавдий Гален (131—201 гг. н. э.). В соответствии с мировоззрением античного времени, Гален понимал целостность организма. Он писал:

«В общей совокупности частей, все находится во взаимном согласии и … все содействует деятельности каждой из них».

Изучение нервов позволило Галену сделать вывод о том, что нервы по своей функциональной особенности делятся на три группы: те, что идут к органам чувств, выполняют функцию восприятия, идущие к мышцам ведают движением, а идущие к органам охраняют их от повреждения. Основной его труд — О назначении частей человеческого тела. Гален экспериментально показал, что конечность попеременно то сгибается внутренними, то разгибается наружными мышцами. Так, описывая пятую мышцу, самую большую, по его мнению, из всех мышц тела, приводящую бедро и состоящую из большой, средней и малой мышц, прикрепляющихся к внутренним и задним частям бедренной кости и нисходящей вниз почти до коленного сочленения, он, анализируя её функцию, писал:

«Задние волокна этой мышцы, идущие от седалищной кости, укрепляют ногу, напрягая сустав. Не менее сильно это действие производится нижней порцией волокон, идущих от лобковой кости, к чему присоединяется еще легкое вращательное движение внутрь. Выше их лежащие волокна приводят бедро внутрь точно так же, как самые верхние приводят и в то же время несколько поднимают бедро»

«Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Его успех как великого художника также немало зависит от биомеханической направленности его картин, — в них детально прорисована техника движения. Его наблюдения, очевидные в наши дни, в средние века были революционными. Например,

«Мускулы начинаются и оканчиваются всегда в соприкасающихся костях, и никогда они не начинаются и не оканчиваются на одной и той же кости, так как они ничего не могли бы двигать, разве только самих себя»

Возникновение биомеханики как науки

Основателем науки биомеханики по праву считается Джованни Борелли, итальянский натуралист. Профессор университетов в Мессине (1649) и Пизе (1656). Помимо работ в области физики, астрономии и физиологии, он разрабатывал вопросы анатомии и физиологии с позиций математики и механики. Он показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики, впервые истолковал движение сердца как мышечное сокращение, изучая механику движения грудной клетки, установил пассивность расширения лёгких.

Наиболее известный труд ученого «Движение животных» («Dе Motu Animalium»). Его учение основано на твердых биомеханических принципах, в своей работе он описал принципы мускульного сокращения и впервые представил математические схемы движения. Он впервые использует биомеханическую модель для объяснения движения в биомеханической системе.

Новым толчком развития биомеханики был связан с изобретение метода кинофотосъемки движения человека. Французский физиолог, изобретатель и фотограф. Этьенн Марей(1830—1904) впервые применил кинофотосъемку для изучения движений человека. Так же впервые им был применен метод нанесения маркеров на тело человека — прототип будущей циклографии. Важной вехой в истории биомеханики явились исполненные Э. Майбриджем (1830—1904)(США) циклы фотографий, снятых несколькими камерами с разных точек зрения. Серия фотографий («Галопирующая лошадь», 1887), показала необычайную красоту пластики реальных движений. С тех пор кинофотосъемка применяется для анализа движений как один из основных методов биомеханики. Начало анализа движения человека было положено братьями Вебер (1836) в Германии. Первый трехмерный математический анализ человеческой походки проведен Вильгельмом Брауном и его студентом Отто Фишером в 1891 году. Методология анализа ходьбы не изменилась по сегодняшний день. Кроме того, Браун и Фишер впервые изучили массу, объём и центр масс человеческого тела, (проведя исследования на трупах), и получили данные, которые длительно использовали как биомеханический стандарт. Ими был также предложен метод определения массы сегментов тела и его объёма, используя погружение частей тела в воду. Так были получены данные возрастных изменений центров масс. Исследования Брауна и Фишера положили начало новой эпохи биомеханики — биомеханики ходьбы, а период со второй половины XIX столетия стали называть столетием ходьбы.

Современный этап развития биомеханики

Создателем теоретической основы современной биомеханики — учения о двигательной деятельности человека и животных можно по праву считать Николая Александровича Бернштейна (1896—1966) [10]

Источник