Лукунина Е.А. - соискатель каф. биомеханики
Рыков М.А. - соискатель каф. биомеханики
Шалманов Ан.А. - профессор каф. биомеханики

Процесс обработки данных, в частности стабилограмм, можно разделить на два этапа. Первый этап связан с так называемой первичной обработкой, задача которого состоит в фильтрации помех, которые неизбежно возникают в работе любой измерительной системы. Второй этап связан с непосредственной обработкой отфильтрованных данных с применением различных статистических процедур, выбор которых во многом зависит от задач исследования. Этот этап включает так же в себя различные методы анализа структуры самих данных.

В подавляющем большинстве случаев безоговорочно предполагается, что колебательные движения тела человека представляют собой стационарный процесс, т.е. такой процесс, статистические показатели которого не изменяются во времени. Но в некоторых исследованиях [2, 3, 4] было показано наличие тренда в стабилограмме в начале процесса сохранения равновесия. Если тренд существует, то в этом случае начальное положение тела будет существенно отличаться от его конечного положения. Если такое возможно, то это будет свидетельствовать о том, что система управления положением равновесия тела изменяет свое состояние с течением времени и ее функционирование должно описываться более сложными моделями, чем те, которые существуют сегодня. Разумеется следует иметь ввиду, что причина тренда может быть связана с нестабильностью работы измерительной аппаратуры.

Почти все современные статистические методы анализа данных о колебаниях тела человека связаны с использованием тех или иных вариантов анализа временных рядов и если в изменении данных присутствует тренд, то он будет вносить существенные искажения в используемые статистические оценки и как следствие приведет к неоднозначности выводов.

Цель настоящего исследования состоит в том, чтобы изучить структуру стабилографического сигнала и основные механизмы сохранения равновесия человеком в основной стойке и в стойке на одной ноге.

1. Изучить форму распределения стабилографического сигнала и его взаимосвязь с электрической активностью мышц нижних конечностей при выполнении стрелками двух заданий - стойки на двух ногах и стойки на левой ноге.

2. Выявить наличие тренда в показателях изменения положения центра давления у спортсменов-стрелков и у не занимающихся стрелковым спортом.

3. Определить различия в стратегии сохранения равновесия в стойке на двух и одной ноге.

Электрическая активность мышц регистрировалась поверхностными электродами с использованием двух 4-х канальных биоусилителей. Фиксировалась поверхностная электромиограмма трехглавой мышцы голени (камбаловидной и латеральной икроножной), передней большеберцовой и малоберцовой мышц правой и левой ног. Диаметр электродов 10 мм, расстояние между электродами 25 мм.

Одновременно с электромиограммой регистрировали колебания центра давления с помощью стабилографической платформы. Сигналы с тензоусилителя и усилителей биопотенциалов поступали на вход АЦП и затем в компьютер. Частота считывания сигнала - 2000 Гц.

В эксперименте приняли участие 7 стрелков из пистолета различной квалификации ( 1 - КМС и 6 спортсменов 1 разряда) и 3 не занимающихся стрелковым спортом. Каждый спортсмен выполнил по 3 попытки в двух заданиях - стойка на двух ногах с удобным расположением стоп и стойка на левой ноге. Длительность каждого задания - 8 с, в процессе которых регистрировали колебания центра давления и ЭМГ мышц. При последующей обработке получали интегрированную ЭМГ (постоянная времени интегрирования - 0,04 с) и рассчитывали кросскорреляционную функцию для любой пары сигналов. Временной сдвиг сигналов относительно друг друга изменялся от -0,6 до +0,6 с. Из полученного графика определяли экстремальное значение коэффициента корреляции и временной сдвиг этого экстремума от нуля. В качестве показателей устойчивости использовали среднее квадратическое отклонение продольных и поперечных колебаний центра давления и длину траектории ЦД в проекции на эти направления.

Анализ формы распределения продольных и поперечных координат центра давления показал, что в большинстве случаев они не подчиняется нормальному закону и имеют бимодальный, а иногда и полимодальный характер (рис. 1), что характерно как для стойки на двух ногах, так и на одной ноге. Причина этого заключается в том, что положение центра давления у большинства испытуемых монотонно, а иногда скачкообразно, смещается в передне-заднем направлении (с пяток к носкам) и в правую (или в левую) сторону, т.е. по диагонали поверхности стабилографической платформы. В этом наши данные согласуются с результатами других исследований [2]. Данный факт свидетельствует об отсутствии стационарности в изменении положения центра давления, что, с одной стороны, снижает информативность стандартного отклонения как показателя устойчивости тела человека, а с другой стороны требует поиска новых способов ее изучения и оценки. Одним из таких способов может быть разбиение всего времени удержания позы на интервалы, в которых изменяется стратегия сохранения равновесия и оценка взаимосвязей между стабилограммой и мышечной активностью в этих интервалах времени. Поиск критериев деления на интервалы является самостоятельной задачей.

Анализ корреляционных зависимостей между колебаниями центра давления и интегрированной ЭМГ мышц показал, что у большинства спортсменов-стрелков наблюдаются довольно низкие взаимосвязи (от 0,20 до 0,52) в стойке на двух ногах. Наиболее высокие связи характерны для камбаловидной и передней большеберцовой мышц. При выполнении стойки на левой ноге способность сохранять равновесие уменьшается и возрастает корреляционная связь между активностью некоторых мышц (индивидуально для каждого спортсмена) и колебаниями ЦД. Так, например, для испытуемого, результаты которого представлены в таблице 1, такими мышцами являются длинная малоберцовая и передняя большеберцовая. Полученные данные согласуются с результатами предыдущих исследований [1].

Отметим, что для сохранения устойчивого положения тела в стойке на одной ноге резко увеличивается активность мышц антагонистов голеностопного сустава, особенно передней большеберцовой мышцы, что повышает жесткость связи в этом суставе. Об этом свидетельствуют данные средней интегрированной ЭМГ мышц, приведенные в таблице 2. Из таблицы видно, что увеличение колебаний ЦД сопровождается статистически значимым (P<0.05) увеличением мышечной активности. Таким образом, помимо управляющего действия со стороны мышц голени для поддержания равновесия используется механизм закрепления голеностопного сустава мышцами антагонистами.

Таблица 1

Взаимосвязь между колебаниями центра давления и интегрированной ЭМГ мышц голени и временной сдвиг кросскорреляционной функции (t, мс)
у стрелка I разряда в стойке на левой ноге.

Таблица 2

Показатели устойчивости (мм) и интегрированной электромиограммы (мВ) мышц голени при сохранении положения тела в различных заданиях (n=11).

Изменение стабилографического сигнала при сохранении неподвижного положения тела в стойке на двух и одной ноге имеет выраженный нестационарный характер, что проявляется в полимодальном виде распределения координат центра давления.

В связи с наличием тренда в изменении координат центра давления, следует с особой осторожностью использовать стандартное отклонение в качестве показателя устойчивости тела человека. Необходимо искать новые способы ее анализа и оценки.

Управление сохранением положения тела в стойке на одной и двух ногах происходит главным образом в голеностопных суставах и имеет выраженный индивидуальный характер, особенно в стойке на одной ноге.

Помимо управляющей активности мышц другим механизмом поддержания равновесия является увеличение жесткости в голеностопном суставе за счет одновременного повышения активности мышц антагонистов.

1. Лукунина Е.А. Управление мышечной активностью в стрельбе из пневматического пистолета // Юбилейный сборник трудов ученых РГАФК.-М.,1998.- Т. 3.- С. 152-157.

2. Carroll J.P., Freedman W. Nonstationary Properties of Postural Sway. J. of Biomechanics. 1993, Vol. 26, No. 4/5, pp. 409-416.

3. Maki B.E., Holliday P.J., Fernie G.R. A postural control model and balance test for the prediction of relative postural stability. IEEE Trans Biomed Eng. 1987 34:797-810.

4. Werness S.A.S., Anderson D.J. Parametric analysis of dynamic postural responses. Biol Cybern 1984, 51: 155-168.

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Лукунина, Е.А. Структура стабилографического сигнала и его взаимосвязь с электрической активностью мышц нижних конечностей при сохранении неподвижного положения спортсменами-стрелками / Лукунина Е.А., Рыков М.А., Шалманов Ан. А. // Сб. науч. тр. молодых учен. и студентов РГАФК. - М., 2000. - С. 165-170.