Міотонометрія

Міотонометрія - це реєстрація та аналіз біомеханічних властивостей скелетних м'язів людини (тонусу, еластичності, жорсткості, пружності) за допомогою апаратів Уфлянда, Жукова, Дубровского і Дерябина, Сирмаи (Угорщина). Щуп приладу занурюють у досліджуваний м'яз, поставивши вертикально, і по шкалі в умовних одиницях (міотонах) вимірюють опір, що здійснюється м'язом. При поліпшенні функціонального стану збільшуються амплітуда і показник м'язового тонусу (різниця між напругою і розслабленням). При стомленні (перевтомі) амплітуда зменшується, тонус спокою підвищується.

Як прикладелектроміотонометрії, наведено апаратурно-програм­ний комплекс для реєстрації та аналізу біомеханічних властивостей скелет­них м'язів людини (рис. 2.6).

Комплекс призначений для якісної та кількісної діагностики біомеханічних властивостей скелетних м'язів. Його можливості дозволяють отримати термінову інформацію про стан усіх досліджуваних м'язів у графічній та цифрових формах.

Рис. 2.6. Апаратурний комплекс для реєстрації та аналізу біомеханічних властивостей скелетних м’язів людини: 1 — високочутливий датчик; 2 — блок БВП-2; 3 — універсальна плата перетворення електричних сигналів; 4 — комп'ютер з програмним забезпеченням; 5 — принтер.

Під час діагностики на тілі людини закріплюється спеціальний датчик типу МВ-30S (Росія), що дозволяє реєструвати біомеханічні властивості м'язів (табл. 2.2.).

Таблиця 2.2. Біомеханічні характеристики досліджуваних м'язів

Біомеханічна характеристика м’язів	Формула вимірювання	Одиниці вимірювання
Амплітуда коливань в ізотонічному напруженні	A = KV (K =1/1000)	мм
Амплітуда коливань в ізометричному напруженні	A = KV (K =1/1000)	мм
Амплітуда коливань в ізотонічному напруженні після дозованого механічного впливу	A = KV (K =1/1000)	мм
Амплітуда коливань в ізометричному напруженні після дозованого механічного впливу	A = KV (K =1/1000)	мм
Частота коливань в ізотонічному напруженні (F ізотон)	1/ Т	Гц
Частота коливань в ізометричному напруженні (F ізометр)	1/ Т	Гц
Енергетика коливань в ізотонічному напруженні (Q ізотон)		Дж
Енергетика коливань в ізометричному напруженні (Q ізометр)		Дж
IV - (індекс жорсткості)		відн. од.
IQ - (індекс демпферності)		відн. од.

Примітка: Т- період, Гц; т - маса біоланки, кг; А - амплітуда коливань м'язів, мм.

Сигнали датчика вводяться через блок вводу інформації у ПК та оброб­ляються за спеціальною програмою.

Спільна робота датчика, блока вводу інформації та ПК дозволяє у реальному масштабі часу обчислювати та візуалізувати біомеханічні характеристики досліджуваних м'язів, визначати: IV - індекс жорсткості та IQ - індекс демпферності.

Вихідна інформація, котра виробляється за спеціальним програм­ним забезпеченням, виводиться на принтер та записується у пам'ять ПК, що дозволяє документувати її у друкованому вигляді та зберіга­ти повні кількісні дані щодо проведених вимірювань. Це дає змогу створювати банки даних про багатьох досліджуваних, обробляти вели­кий обсяг інформації про функціональний стан м'язів людини, що виконують різноманітну роботу, порівнювати їх між собою тощо.

Зауважимо, що амплітудні характеристики, що отримуються при реєстрації у мілівольтах (мВ), перераховуються у метричні міри — мі­ліметри (мм), а енергетика виражається у джоулях (Дж) за допомогою спеціальних програм.

Кушетка «Гревітрин», як засіб відновлення функціонального стану хребта людини. В основі її дії на організм людини лежить створення індивідуальне дозованого осьового витягнення хребетного стовпа, створюваного оригінальною конструкцією опорної поверхні. Індивідуальне дозування забезпечується зворотним зв'язком зусилля, що тягне, з антропометричними характеристиками конкретного пацієнта, насамперед, масою тіла і твердістю м'язів спини і попереки. Наявність такого зв'язку виключає передозування і зв'язаних з цим ускладнень.

У ході іспитів за участю добровольців, що страждають клінічними проявами дегенеративно-дистрофічних захворювань хребта помірного ступеня, показана висока ефективність, що коригує, "Гревітрина". Насамперед, це виявлялося в суб'єктивній оцінці. Протягом 10-денного курсу корекції індекс дискомфорту закономірно знижувався. Болючий синдром і виражений дискомфорт в області хребта цілком зникав у більшості пацієнтів до 9-14 корекції. Вірогідно підвищувалася оцінка суб'єктивного стану пацієнта за цей період, обмірювана по шкалі САН, у середньому з 5,0 до 5,9 балів (р<0,01).

Витягнення приводило до зняття патологічного перевантаження з хребтово-рушійних сегментів, що знаходило своє вираження в достовірному збільшенні росту відразу після лікувальної процедури, у середньому, на 1, 2див. (р<0,01). Разом з тим, однократний вплив виявляється нестійким, і наступного дня в 55% пацієнтів досягнутий ефект зникає. Для досягнення стійкого результату необхідне проведення як мінімум 10-денного курсу. Після такого курсу збільшення росту коливається в межах 0,5-2,5див, складаючи, у середньому, 1див.

Корекція за допомогою кушетки, що коригує, "Гревітрин" приводить до поліпшення вегетативних функцій організму. Так, у ході курсу лікування вірогідно (р<0,01) нормалізується вегетативний індекс Кердо.

Таким чином, кушетка "Гревітрин" допомагає адаптації організму в цілому і хребта зокрема до функціональних перевантажень, створює передумови для формування раціонального рухового стереотипу людини і відновлює функціональний стан хребта.

Патологічна напруга м'язів нерідко перешкоджає проведенню ефективних мобілізаційних і маніпуляційних прийомів мануальної терапії вертебральних і вертеброгенних розладів. Усунення чи подолання такої м'язової напруги вимагає відчутних витрат сил і часу від лікаря. Особливо помітно це при великому потоці пацієнтів, тому цілком виправдані пошуки надійних і простих способів і методів, у т.ч. апаратних, зменшення напруги м'язів спини і попереку. У зв'язку з викладеним, метою нашої роботи з'явилося вивчення деяких фізіологічних ефектів апаратного витягнення хребта людини за допомогою ауто-гравітаційного тренажерного пристрою "Гревітрин" (рис.2.7.).

Рис.2.7. Аутогравітаційний тренажерний пристрій "Гревітрин"

Об'єкт дослідження. Ауто-гравітаційний тренажерний пристрій "Гревітрин" (сертифікат відповідності N РОСС RU.IM 10.У00285) призначений для профілактики і корекції функціональних розладів, викликаних дегенеративно-дистрофічними захворюваннями хребетного стовпа людини. Вплив "Гревітрина" на організм засноване на індивідуально дозованому осьовому витягненні тіла пацієнта, що лежить на опорній поверхні пристрою. Опорна поверхня "Гревитрин" складається з поперечних ребер, установлених пружно на подовжніх розтягнутих стрічках. Ребра, розташовані вище зони, що відповідає вершині поперекового лордозу, нахилені убік голови лежачого пацієнта, а ребра, що знаходяться нижче лордозу, - убік ніг. Під дією ваги людини система опорних поверхонь ребер приймає форму прилягаючої частини тіла пацієнта, максимально зменшуючи тиск на м'які тканини.

Тим самим створюються умови для релаксації м'язів спини і попереку. Крім того, опорні поверхні кожного ребра переміщаються в напрямку від попереку (рис 2.8.), створюючи визначене тягнуче зусилля, що передається через шкіру і м'які тканини на хребетний стовп.

Рис.2.8. Вплив кушетки "Гревитрин" для релаксації м'язів спини і попереку.

Вплив кушетки здійснюється профільованою опорною поверхнею, що складається з поперечних ребер, установлених пружно на уздовжних розтягнутих стрічках і нахилених убік голови (вище попереку) і убік ніг (нижче попереку). Крім цього, опорну поверхню утворять підголівник із шийним виступом і опорною площадкою для гомілок ніг.

Методика роботи. Дослідження проводилися за участю 33 добровольців з середніми клінічними проявами дегенеративно-дистрофічних захворювань хребта.

Перед проведенням лікувальної процедури проводиться регулювання пристрою "Гревітрин" під антропометричні характеристики конкретного пацієнта відповідно до інструкції [3]. Укладання пацієнта на пристрій і тривалість процедури (30 хвилин) вироблялися відповідно до методики [3]. У ході досліджень проводилися 1) опитування випробуваних; 2) анкетування за методикою САН (суб'єктивна оцінка стану) [4]; 3) вимір росту випробуваних сидячи за стандартною методикою ростоміром; 4) вимір довжини хребта, що реєструється від остистого відростка 7 шийного до остистого відростка 3 поперекових хребців за допомогою курвіметра КУ-А; 5) у частини піддослідних виконувалася міотонометрія (рис 2.9.).

Рис.2.9. Динаміка м'язового тонусу в процесі витягнення на "Гревітрині".

За 100% прийнятий рівень м'язового тонусу, вимірюваний відразу після укладання на "Гревітрин".

Зміна росту сидячи після лікувальної процедури відбиває одночасно як зрушення в розмірах хребетного стовпа через зміну висоти міжпозвонкових дисків, так і зміни кривизни (лордозів і кіфозів) унаслідок зміни тонусу м'язів-згиначів, а також характеризує переважно абсолютні розміри хребетного стовпа. Напруга довгих м'язів спини і пара-вертебральної мускулатури оцінювалося по їхній твердості, що вимірялася за допомогою м'язового тензометра, що реєструє зусилля, необхідне для забезпечення штоком приладу заданої деформації м’язової маси в досліджуваній області [7]. Напрямок стиску м'яких тканин з допомогою штока було перпендикулярний поверхні шкіри. Реєструвалися зусилля, що відповідають деформації м'яких тканин (переважно м'язів) у 6мм. Напруга м'язів вивчалося на рівні средньогрудинного (на рівні остистого відростка 5 грудного хребця), нижньогрудинного (на рівні остистого відростка 12 грудного хребця) і поясничного (на рівні остистого відростка 3 поперекові хребці) відділів хребта праворуч і ліворуч на відстані 3-4 мм від осі хребетного стовпа до і після лікувальної процедури. Виміри проводилися в положенні пацієнта лежачи на животі. Оскільки твердість м'язів широко варіюється в різних пацієнтів, оцінювалася відносна зміна показника (З) під впливом витягнення на "Гревітрині":

С = [(F1 - F)/F] 100 %; KAs = [(Fd - Fs)/ Fs] 100 %,

Де: Fd - зусилля штока, зареєстроване при створенні деформації м'язів праворуч,

Fs - відповідні зусилля, обмірюване ліворуч.

Проводилося порівняння коефіцієнтів асиметрії, отриманих до і після процедури. Зменшення даного показника, на нашу думку, свідчить про зниження патологічної асиметрії тонусу м'язів, викликуваної рефлекторно на рівні поразки хребтово-рушійних сегментів патологічним процесом.

Електроміотонометрія проводилася спеціальним апаратом, сконструйованим у Тартуському державному університеті. Сутність методу полягала в тім, що по розслабленому м'язу наносився легкий дозований удар спеціальним пристосуванням. За допомогою перетворювача й обчислювального пристрою визначали період коливань у мілісекундах і логарифмічний декремент вільно загасаючих коливань [2, б]. У м'язах нижче рівня травми при голчастій электроміографії в залежності від стадії денерваційно-реіннерваційного процесу спостерігалися: біоелектричне мовчання, спонтанна активність, що зароджуються і подовжені потенціали дії рухових одиниць, поліфагія й ін. При электроміотонометрії в цих м'язах була виявлена груба асиметрія показників, що свідчить про зниження м'язового тонусу. При дослідженні дельтоподібних м'язів на стороні травми виявлене збільшення числа поліфазних потенціалів дії рухових одиниць. Электроміотонометрія цих м'язів показала незначну зміну м'язового тонусу.

Вивчення змін сухожильних і періостальних рефлексів при травматичних ушкодженнях периферичних нервів. Для вивчення змін сухожильних і періостальних рефлексів при травматичних ушкодженнях периферичних нервів було обстежено 42 хворих (3-я група) з реплантированими після травматичної ампутації на рівні передпліччя верхніми кінцівками і 9 хворих із травматичними ушкодженнями окремих периферичних нервів руки.

Поряд з детальним клінічним обстеженням хворим проводилася електроміографія і електроміотонометрія. Були обстежені м'язи в області тенара і гіпотенара, розташовані нижче рівня травми, і дельтоподібні м'язи, розташовані вище місця ушкодження. Для порівняльного аналізу проводилося дослідження в симетричних крапках по обидва боки. Електроміографія виконувалася на апараті фірми "Диза" за допомогою стандартних голчастих електродів.

Електроміографія (ЕМГ)

У процесі життєдіяльності організму у його органах та тканинах виникають біоелектричні сигнали, котрі являють собою складні коли­вання несиметричної форми, що називаються біопотенціалами. Пев­ною мірою, об'єктивно відображаючи фізико-хімічні результати обмі­ну речовин, вони є досить інформативними показниками стану фізі­ологічних процесів в організмі. Внутрішнє середовище організму має низький електричний опір, що дозволяє біопотенціалам поширювати­ся по усьому тілу людини. Внаслідок цього біопотенціали скелетних м'язів, серця та мозку можуть бути зафіксовані на поверхні тіла спе­ціальними датчиками біопотенціалів. Як відомо, тіло людини має три основних взаємозв'язаних електромагнітних поля з відповідними біо­потенціалами серця (ЕКГ — електрокардіографія), рухового апарату (ЕМГ), кори головного мозку (ЕЕГ — електроенцефалографія).

Електромагнітне поле серця людини безперервно змінюється з частотою серцевих скорочень, досягаючи максимуму у момент скоро­чення серцевого м'яза. Це поле підсилюється при фізичних вправах, емоційному збудженні людини та слабкішає під час сну, відпочинку, у стані спокою. Оскільки серце є найбільш життєво важливим орга­ном людини, то дослідження його електричних потенціалів вже дав­но цікавило фахівців. Воно має чіткий певний ритм роботи, що не пе­реривається (ЕКГ= 0,5-250 Гц), достатній за величиною електричний сигнал (1—5 мВ) та локальний осередок збудження біопотенціалів. ЕМГ з'явилася пізніше, тільки з появою апаратури, що дозволяє на­дійно вловлювати біопотенціали електричної активності скелетних м'язів. Електромагнітне поле мускулатури людини має складну конфігу­рацію, котра спотворюється при найменшій зміні пози. Створення елек­тромагнітного поля може відбуватися навіть при появі думки про рух.

Біомеханічні методи дозволяють реєструвати зовнішню картину руху, котрий є результатом складної нейромоторної діяльності. За зовнішньою картиною рухів можна судити про їхню внутрішню структуру. Однак це шлях непрямий і не завжди надійний.

Електроміографія — це метод реєстрації біоелектричної активності скелетних м'язів. Він дозволяє начебто "зазирнути" у середину процесів, котрі відбуваються у м'язах, отримати цінну інформацію про роботу м'язів при виконанні рухових завдань, широко застосовується при вивченні спортивних рухів. Він дозволяє одночасно вимірювати біомеханічні та фізіологічні параметри рухової функції. Електроміог­рамою називається крива зміни біопотенціалів скелетних м'язів. Ви­користовується ЕМГ для визначення ступеня участі різних м'язів у ру­сі, для вивчення координації та рівня активності м'язів. Окрім того, ЕМГ дає змогу дослідити внутрішню структуру рухового акту й тим самим допомагає виявити найбільш раціональні та ефективні варіан­ти побудови рухів, розв'язання рухових завдань.

Коли у 1924-30 рр. відбулися перші електроміографічні дослідження, то виявилося, що реєстрація ЕМГ відкрила внутрішню струк­туру рухів і внаслідок цього виникла можливість оцінювати участь ок­ремих м'язів у руховому акті (як відомо, в електроміографах реєстру­ється активність усіх м'язів, що беруть участь у даному русі). Саме ЕМГ дозволила вивчити деякі деталі координаційної структури при­родних рухових актів людини, наприклад) ходьби, підтримання вер­тикальної пози, ряду трудових та спортивних рухів [5].

Дослідження механізмів управління рухами та позою (сполучення ЕМГ з реєстрацією зовнішніх механічних параметрів м'язової діяль­ності) дозволяють обчислювати багато чинників, котрі впливають на кількісні характеристики рухів. Нині можна виділити чотири основні напрями використання ЕМГ для вивчення активної рухової діяльнос­ті людини:

• вивчення електричної активності окремих функціональних ру­хових одиниць (РО);

• вивчення електричної активності окремих м'язів;

• вивчення узгодженості електричної активності багатьох м'язів, що беруть участь в одному русі (синергісти та антагоністи);

• використання ЕМГ у якості електростимуляторів.

У практиці спорту, в основному, використовують другий та третій напрями, як для дослідження механізму управління в окремих видах спорту, так і для вивчення фізіологічних закономірностей, притаманних спортивній діяльності (наприклад, при стомленні, ступеня напруження та розслаблення м'язів). Метод ЕМГ дозволяє проводити дослідження для виконання багатьох трудових та спортивних рухів.

У лікувальній та спортивній практиці ЕМГ може використовуватися і у якості електростимулятора. Стимуляційна ЕМГ — це елек­тричний вплив низькочастотним імпульсним струмом на органи та тканини людини для лікувального впливу на процеси патології у нервово-м'язових структурах, при травмах опорно-рухового апарату, знеболювання тощо.

Електрична активність м'яза є результатом фізико-хімічних процесів його життєдіяльності. Основними параметрами біопотенціалів є їх амплітуда та частота. Амплітудою називається розмах коливань між крайніми значеннями або величина відхилень від середньої (нульової) лінії потенціалу, а частота — це середнє число коливань за одиницю часу.

Для реєстрації біоелектричної активності м'язів застосовуються спеціальні датчики, що в електроміографії називаються відвідними електродами, котрі дозволяють вловити зміни електричних напру­жень, виникнення, поширення та припинення процесів збудження у працюючому м'язі. Розрізняють електроди: голчасті — для локальної реєстрації біопотенціалів окремих РО та для міостимуляції; плоскі та коаксіальні (чашкові) — для глобальної ЕМГ ((рис. 2.11 і 2.12).) з малою від­відною поверхнею (діаметр 0,65 мм і менше) та найбільшими міжелектродними відстанями. Такий електрод вводиться у м'язову ткани­ну й відводить коливання біопотенціалів від окремих волокон або РО. Його перевага полягає у тому, що він дозволяє виміряти електричну активність окремого волокна або РО м'яза.

Для дослідження інтенсивних природних рухів, особливо спор­тивних, найчастіше застосовують нашкірні (плоскі та коаксіальні) електроди з великою поверхнею відведення (50 мм²). Ці електроди вловлюють сумарну різницю напруження при збудженні численних міоневральних закінчень.

Для реєстрації біопотенціалів м'язів використовують як монополярне (один активний електрод), так_і_біполярне (два ак­тивних електроди). При монополярному відведенні на шкірі над м'язами розміщують по одному електроду, а другий електрод (зазем­лення) кріплять до електронейтральної поверхні тіла досліджуваного, наприклад до мочки вуха або в іншому місці, що не має м'язів (на­приклад, зап'ясток). Амплітуда біопотенціалів у монополярній ЕМГ становить приблизно 5 мВ, що у кілька разів більше, ніж у біполяр­ній, тому підсилення біопотенціалів менше.

Недоліком цього способу є те, що ЕМГ може відображати елек­тричну активність не тільки м'язів, на котрих розміщено електроди, але й тих м'язів, котрі знаходяться між активними та нейтральними елек­тродами, тобто електричну активність усього регіону прилеглих м'язів.

У спортивній практиці використовується переважно біполярна ЕМГ, при котрій на черевці м'яза розташовуються два активних елек­троди. Цей спосіб відведення дозволяє реєструвати локальну різницю потенціалів, що виникають між двома ділянками м'яза. При біполяр­ному відведенні (відстань між електродами становить приблизно 20 мм, а діаметр електрода — приблизно 5 мм) потребується більше підсилення біопотенціалів порівняно з монополярним, але м'язові потенціали відводять­ся локально, що зменшує вірогідність реєстрації активності інших м'язів, котрі одночасно беруть участь у русі. Величина ЕМГ-сигналу залежить від:

• розмірів та форми електродів;

• відстані між електродами;

• розташування електродів щодо рухомої точки (РТ);

• розташування електродів щодо напрямків м'язових волокон.

Внутрішній опір м'язів як електричного генератора характеризуєть­ся міжелектродним опором, котрий складається з опору шкіри (з опору ороговілих клітин епітелію — епідермісу та власне шкі­ри), опору міжтканинної рідини та підшкірних жирових відкладень.

Міжелектродний опір має бути низьким. Зниження його необхід­не як для збільшення амплітуди біопотенціалів, що реєструються, так і для підвищення перешкодостійкості вимірювальної системи. Зниження міжелектродного опору забезпечується очищенням шкіри спиртом у місцях накладання електродів. Це зменшує товщину рогового шару шкіри, підсилює кровообіг і завдяки цьому знижує міжелектродний опір становить до 10 кОм. Для кращого контакту зі шкірою внут­рішні порожнини (чашки) електродів заповнюються спеціальною електродною пастою. Окрім того, величина потенціалу, що відводить­ся, залежить від розташування електродів відносно рухової точки (РТ) — місця входження нерва у м'яз. Найбільша електрична активність при збудженні м'яза реєструється у районі РТ. Монополярний електрод кріпиться над РТ, а біполярні електроди — по обидва боки від неї на однаковій відстані.

Величина біопотенціалу, що реєструється, також залежить від співпадання, або неспівпадання розміщення біполярних електродів з ходом м'язових волокон. Збільшення міжелектродної відстані призводить до збільшення величини електричної активності, котра реєструється. При однаковій відстані між електродами найбільша величина електричної активності реєструється, якщо електроди розташовуються по ходу м'язових волокон.

Найпростіший стандартний набір ЕМГ- комплексу для дослід­жень у лабораторних або клінічних умовах складається з таких основ­них частин: відвідних електродів; підсилювача (наприклад, МG-42, фірма МЕDICOR, Угорщина); реєстратора (наприклад, шлейфний осцилограф або комп'ютер); індикатора візуального контролю — ІВК (наприклад, МG-40) (рис 2.10.).

Рис. 2.10. Блок-схема ЕМГ - комплексу, де: 1 — нашкірні біполярні електроди, 2 — підсилювач біопотенціалів МG-42, 3 — шлейфний осцилограф типу "НЕВА МТ-О1", 4 – монітор - індикатор візуального контролю МG-40, 5 – персональний комп'ютер, принтер.

Сучасні ЕМГ - комплекси для дослідження у природних умовах та реальному часі (оп-lіпе) обов'язково комп'ютеризовані, радіотелемет­ричні та, як правило, багатоканальні (рис. 2.11, 2.12, 2.28).

а.

б.

в.

Рис. 2.11. Загальний вигляд сучасних досліджень: на стаціонарному ЕМГ - комплексі INTELECT ADVANCED CCombo(Chattanooga Group Inc., США); на радіотелеметричному ЕМГ - комплексі MEDICOR (Угорщина).

Рис. 2.12. а). Зовнішній вигляд нашкірних електродів (D-1 см). б). Електромиіограмма в нормі. в).Методика визначення швидкості проведення імпульсу по рухових волокнах серединного нерву. А, Б - точки стимуляції нерву; В - відвідний електрод; S - відстань між електродами; Т – різниця латентних периодів. В прямокутниках показані відповідні електроміограми.

Акселерометрія

Результатом дії сили на будь-яке тіло може бути деформація тіла та його прискорення (зміна швидкості руху). Відповідно до цього усі силовимірювальні прилади поділяються на два типи:

• ті, що вимірюють деформацію тіла, до котрого докладено силу (знайомий нам динамометричний метод);

• ті, що вимірюють прискорення рухомого тіла (акселерометрія).

Акселерометрія (від лат. асselero - прискорюю) - це методика, котра дозволяє вимірювати прискорення ЗЦМ тіла людини та окре­мих його біоланок при виконанні рухів.

Акселерометр призначений для вимірювання прискорень. Робота такого датчика заснована на вимірюванні сили інерції, котра виникає під час руху.

Вимірювання прискорення відбувається у два етапи: 1) механічне вимірювання прискорення; 2) перетворення механічно­го переміщення маси датчика на електричний сигнал.

Механічне вимірювання прискорення. До досліджуваного об'єкта прикріплюється датчик, що складається з малої маси т на пружному підвісі певної жорсткості с. Рух об'єкта з прискоренням а обумовлює виникнення в акселерометрі сили інерції F = та, котра врівноважується пружною силою підвісу. Оскільки маса датчика m та жорсткість с є постійними величинами, то переміщення маси датчика буде пропорційним лінійному прискоренню об'єкта. Одночасно відносне пе­реміщення маси датчика дорівнює деформації пружного зв'язку, а це означає, що, вимірюючи цю деформацію, можна визначити шукане прискорення об'єкта. Коефіцієнт пропорційності k між виміряною де­формацією пружного елемента та виміряним прискоренням визнача­ється при таруванні: D L = kта, де: D L — величина деформації; D F — шукана величина вимірюваного зусилля, що визначається за таруван­ням залежно від реєструючого комплексу, що використовується.

Перетворення механічного переміщення маси датчика на елек­тричний сигнал здійснюється за допомогою так званих вторинних ви­мірювальних перетворювачів. Це можуть бути реостатні, індукційні, п'єзоелектричні та тензорезисторні перетворювачі. Найбільш пошире­ними у спорті є датчики прискорення, що використовують тензо- та п'єзоефект. П'єзорезисторні або п'єзокристалічні пластинки наклею­ються на пружний елемент. Під дією прискорення сила інерції маси датчика вигинає балку (пружний підвіс) у площині найменшої жор­сткості й тензодатчик перетворює деформацію балки на електричний сигнал.

Пружний (чутливий) елемент у вигляді консольної балки з ванта­жем на кінці дозволяє дуже просто виготовити трикомпонентний дат­чик прискорення, за допомогою котрого можна виміряти три складо­вих вектора прискорення. Пружні елементи балки орієнтовані так, що осі чутливості акселерометрів спрямовані по трьох взаємоперпендикулярних площинах.

Конструкція трикомпонентного тензоакселерометра. Конструк­тивно трикомпонентний тензоакселерометр являє собою плексиглазовий куб зі стороною 10 мм, у котрому три однакові циліндричні камери висвердлені продольно по трьох взаємно перпендикулярних осях (абсцис, ординат та аплікат) відносно загальної соматичної системи координат тіла людини (рис. 2.13).

Камери заповнені демпферною рідиною. В отвори занурені стальні балки однакового опору зі свинцевою напайкою на вільному кінці. На стальні балки з двох боків наклеєно по тензодатчику, котрі є суміжними плечами вимірювального моста. Консольні балки розта­шовуються в отворах у взаємно перпендикулярних площинах. Виходи з усіх трьох отворів щільно закриті спеціальною пробкою з вивідни­ми проводами. Кожний акселерометр через тензопідсилювач має ви­хід на три канали осцилографа і ПК, реєстрація вимірювань відбувається одночасно.

Датчик має спеціальні кріплення, розраховані на його фіксацію на тілі людини. Таким чином, він являє собою нібито відносно неру­хому, жорстко зв'язану з центром мас тієї чи іншої біоланки просто­рову координатну систему.

Для об'єктивного аналізу складних рухів обов'язковою умовою є отримання повного результуючого вектора прискорення:

Саме для цього необхідне вико­ристання трикомпонентного акселе­рометра. А для підвищення точності вимірювання необхідно знайти про­екцію сумарного вектора прискорен­ня соматичної (рухомої) системи ко­ординат на нерухому систему коор­динат (при дослідженні безударних процесів — локомоцій). Акселерометри закріплюють у ЗЦМ при локо­моторних переміщеннях та у ЦТ біоланки при вивченні рухів окремих біоланок.

Рис. 2.13. Загальний вигляд (а) та конструкція (б) тензоакселерометра: 1 — інерційний вантаж; 2 —консольна балка; 3 — тензочутливий елемент; 4 — струменевивідний контакт; 5 — пробка; 6 — рознімання; 7 — скоба для кріплення датчика до тіла; 8 – пластмасовий корпус датчика..

Для досліджень ударних (високо­частотних) процесів при переміщеннях - людини нині використовуються п'єзоакселерометри. Як приклад розглянемо трикомпонентний п'єзоакселерометр 4321 ("Брюль Й Кьер", Данія). Цей трикомпонентний п'єзоакселерометр містить у загальному ущільненому корпусі три акселерометри з нормалізованою чутливістю, головні осі котрих спрямовані пер­пендикулярно одна до одної. Отож цей акселерометр одночасно ви­мірює механічні коливання у трьох взаємно перпендикулярних нап­рямках і знаходить застосування там, де потрібні вимірювання з урахуванням просторової системи координат.

Легкий корпус з титану сприяє досягненню малої власної маси та широкого робочого частотного діапазону трикомпонентного акселе­рометра 4321 (верхня межа - 12 кГц). Конструкція усіх його еле­ментів, що основується на застосуванні працюючих під впливом зрі­зуваного зусилля трьох вирізів з п'єзокераміки, гарантує малу чутли­вість до деформації основи, змін температури та поперечних коливань у напрямках, що не співпадають з головними осями основних елементів. Чутливість заряду окремих елементів акселерометра 4321 відрегульовано індивідуально на нормалізоване значення приблизно 1пКл∙м ^-1∙с ^-1 (±2 %). Нормалізована чутливість полегшує калібрування вібровимірювальних систем та спрощує обробку результатів вимірювань при застосуванні підсилювачів заряду з фіксованим коефіцієнтом підсилення.

Для надійного кріплення акселерометра 4321 можна використо­вувати гвинт М4 довжиною 15 мм, що проходить через передбачений для нього у корпусі отвір, або шпильку 10-32NF, для котрої перед­бачений відповідний отвір в основі корпусу.

Трикомпонентний п'єзоелемент, що працює під впливом зрізувального зусилля (фабрична марка "Delta Shear"), використовуваний у нових акселерометрах типу 4321 фірми "Брюль і Кьер" (рис. 2.14), від­різняється унікальною конструкцією та високою якістю. Будова цих ак­селерометрів складається з трьох плоских прямокутних вирізів з п'єзокераміки, закріплених між розташованою у центрі опорою трикутного перерізу та трьома інерційними масами, притиснутими стяжним кіль­цем. Стяжне кільце впливає на трикомпонентний п'єзоелемент вели­кою радіальною силою. Поверхні опори п'єзоелектричних елементів та інерційних мас оброблено з малими допусками і ретельно доведено так, що у цих нових акселерометрах не використовуються проміжні клейкі шари (наприклад, в акселерометрах з плоским п'єзоелементом, що пра­цює під впливом зрізувального зусилля). Унікальна конструкція та ре­тельна обробка усіх деталей акселерометрів, що відносяться до варіан­та, описаного вище, гарантує лінійність та довгочасну стабільність па­раметрів і, загалом, добру стійкість до впливу зовнішнього середовища (Табл. 2.3).

Трикомпонентний п'єзоелемент, працюючий під дією осьового зрізувального зусилля (у центрі)

Рис. 2.14. Конфігурація та механічна конструкція акселерометрів фірми "Брюль й Кьер":

S — пружина; М — маса; Р — п'єзоелемент; В — основа; R — стяжне кільце.

Таблиця 2.3.

Деякі технічні характеристики акселерометрів фірми «Брюль і Къер» (Данія)

Акселерометр
* Маса
* Чутливість мВ/м.с-2	~ 0,8	~ 4,0	~ 1,5	~ 4,0	~1,5	~ 8	~ 0,8
по напрузі мВ/g	~ 8	~ 40	~ 15	~ 40	~15	~ 100	~10
* Чутливість пКл/м.с-2	1 2%	~ 4,5	~ 2	~ 4,5	~ 2	10 2%	1 2%
по заряду пКл/g	~ 10	~ 45	~ 20	~ 45	~20	~ 100	~ 10
* Резонансна частота кГц	40++
* Робочий частотний діапазон+, Гц 5%	0,2-8700++	0,2-5400	0,2-6600	0,2-5400	0,2-6600	0,2-3500	0,2-7000
10%	0,2-12000+	0,2-9000	0,2-10600	0,2-9000	0,2-10600	0,2-6000	0,2-12000
Ємність, вкл. з`єдн. кабель ** пФ
Макс. поперекова чутл.*** %	<4	<4	<4	<4	<4	<4	<4
П`єзоелектричний матеріал	PZ23	PZ23	PZ23	PZ23	PZ23	PZ23	PZ23
Конструкція	ТСУ	ТСУ	ТСУ	ТСУ	ТСУ	ТСУ	ТСУ
Чутливість до деформації основи **** м.с-2	0,02	0,006	0,008	0,006	0,008	0,003	0,02
(ном. значення в площині основи на 250 ) g	0,02	0,006	0,0008	0,0006	0,0008	0,0003	0,0002
Чутливість до змін температури**** м.с-2/ 0С;	0,8	0,1	0,4	0,1	0,4	0,8	0,8
(ном. значення, нижньої межі частоти 3 Гц) g/ 0С	0,08	0,01	0,04	0,01	0,04	0,008	0,08
Магнитна чутл. (ном. значення, 50 Гц –0,03 Т) м.с-2/т
g/кГаусс	0,07	0,03	0,06	0,03	0,06	0,012	0,07
Акустична чутл. екв. прискорення на 154 дБ УЗД м.с-2;	0,01	0,002	0,005	0,002	0,005	0,001	0,001
ном. значення, 2-100 Гц g	0,001	0,0002	0,0005	0,0002	0,0005	0,0001	0,0001
Мін. опір втрати на 20 0с ГОм
Макс. температура навколишнього середовища 0С
Макс. удар. ( пик. знач.) км.с-2
в напрямку головної осі g
Макс. постійне синусоїдальне прискорення км.с-2;
пік. значення g
Макс. прискорення(пік.знач) км.с-2	0,75					0,5
при кріпленні на магніті g
Матеріал основи	Титан	Нерж.c. AISI 316	Титан	Нерж.c. AISI 316	Титан	Нерж.c. AISI 316	Титан
* Індивідуально калібровані параметри вказані у калібровочному паспорті. ** З кабелем комплекту поставки. *** Напрямок осі мінімальної поперекової чутливості позначено червоною крапкою на акселерометрі (за викл. моделей 4321, 4374, 4375, 8306, 8308, 8309, 8310). **** См. американський стандарт ANSI S2.11-1969.	+ Нижня межа визначається параметрами предпідсилювача та умовами навколишнього середовища. ++ Резонансна частота в поперекових напрямках (ном. 11 кГц) може бути умовою додаткового зменшення верхньої межі.

Продовження таблиці 2.3.

Акселерометр
* Маса	0,65 (без каб)					3(без каб)
*Чутливість мВ/м.с-2	~ 0,2	~ 0,53	-	1000 2%	~1	~ 0,03	~ 1
по напрузі мВ/g	~ 2,0	~ 5,3	-	~ 10000	~10	~ 0,3	~10
* Чутливість пКл/м.с-2	~ 0,1	~ 0,316	~ 0,12	1000 2	1 2%	~ 0,004	1 2%
по заряду пКл/g	~ 1,0	~ 3,16	~ 1,2	~ 10000	~10	~ 0,04	~ 10
* Резонансна частота кГц			30 с m = 20г	4,5
Робочий частотний діапазон 5%	1-18000	0,2-12000	0,2-3100 1%	0,2-1000 1%	1-6000	1-36000	1-6000
10%	1-27000	0,2-18000	0,2-4400 2%	0,06-1250 3dB	1-10000	1-60000	1-10000
Ємність, вкл. з`єдн. кабель ** пФ				1000	1100		1900
Макс. поперек. чутл. *** %	<5	<4	<2	<5	<3	<5	<3
П`єзоелектричний матеріал	PZ27	PZ27	PZ100	PZ23	PZ45	PZ45	PZ45
Конструкція	ПСУ	ТСУ	МПЦ	МПЦ	МПЦ	МПЦ	МПЦ
Чутливість до деформації основи **** м.с-2	0,005	0,005	0,01(верх) 0,003(осн.)	0,0005	0,08		0,08
(ном. значення в площині основи на 250 ) g	0,0005	0,0005	0,001(верх) 0,0003(осн)	0,00005	0,008	0,5	0,008
Чутливість до змін температури **** м.с-2/ 0С			0,5	0,005
(ном. значення, нижня межа частоти 3 Гц) g/ 0С	0,3	0,1	0,05	0,0005
Магнітна чутл. м.с-2/т
(ном. значення, 50 Гц – 0,03 Т) g/кГаусс	0,3	0,3	0,01	0,02	0,25	0,2	0,25
Акустична чутл. екв. прискорення на 154 дБ УЗД. м.с-2	0,05	0,04	0,008	0,0003	0,003		0,003
(ном. значення, 2-100 Гц) g	0,005	0,004	0,0008	0,00003	0,0003	0, 4	0,0003
Мін. опір втрати на 200С ГОм				-
Макс. температура навк. середовища 0С
Макс. удар. ( пик. знач.) км.с-2				1
в напрямку головної осі g				100
Макс. постійне синусоїдальне прискорення км.с-2				0,3
(пик. значение) g				30
Макс.прискорення(пік. значення) при кріпленні на магніті км.с-2	-	-		0,05	-	-	-
g	-	-			-	-	-
Матеріал основи	Беріллій	Титан	Нерж.c. AISI 316	Нерж.c. AISI 316	Нерж.c. AISI 3166	Нерж.c. AISI 3166	Нерж.c. AISI 316
- Ємність виходу заряду вбудованого в акселерометрі 8306 предпідсилювача. Вихідний опір виходу напруги < 500 Ом. Мін. опір навантаження на виході напруги 50 кОм. - Межа при зверненні. Межа робочого діапазону 9,81 м/с2 (пік. значення)	Симетричний вихід з двома виводами (емність 40 Пф відн. точки заземлення) Симетричний вихід з двома виводами.

Електрогоніометрія

Гоніометрія (від грецьк. Gопіo — кут) — це метод реєстрації кутових переміщень у суглобах. Величини суглобових кутів є важливими просторовими характеристиками рухів. Безперервний контроль за ве­личинами кутових переміщень є корисним:

• при вивченні спортивної техніки;

• при навчанні спортсменів раціональної техніки рухів;

• для біомеханічного аналізу спортивних рухів;

• для визначення рухомості сполучень ланок тіла, їх положень при різних позах, між позами руху;

• для оцінки гнучкості.

Рухоме з'єднання ланок тіла обумовлює їх кутове переміщення. Залежно від форми суглобів рухи можуть здійснюватися в одній або кількох площинах. Зі зміною кута у суглобі змінюється:

• довжина м'яза (при цьому сила тяги м'яза зменшується пропор­ційно квадрату зменшення його довжини, тобто максимальну величи­ну тягового зусилля м'яз виявляє при своєму найбільшому розтягнен­ні у межах анатомічної рухомості);

• плече тяги м'яза відносно осі обертання;

• кут тяги м'яза за кістку.

Для вимірювання кутових переміщень ланок тіла людини, оцінки рівня розвитку гнучкості (амплітуди рухів) використовуються такі методи: 1) рентгенографія; 2) оптико-електронні — фото-, кіно-, стробозйомка, стереоциклографія, стереостробозйомка; відеометрія; 3) механічний; 4) механоелектричний.

Рентгенографічний метод дозволяє визначити теоретично при­пустиму амплітуду руху, розрахувавши її на основі рентгенологічного аналізу будови суглоба.

Оптичні методи вимірювання гнучкості основані на застосуванні фото-, кіно-, стробозйомки. На суглобових точках тіла спортсмена укріплюють датчики-маркери, зміна їх взаєморозташування фіксуєть­ся реєструючою апаратурою. Наступна обробка фотознімків або фотоплівки дозволяє визначити рівень розвитку гнучкості. Точність оптичних методів невисока. Найбільш точними сучасними та перспективними з оптико-електронних методів для вимірювання кутових переміщень є стереоциклографія, стереостробозйомка, відеометрія, котрі будуть докладно описані у наступному розділі. Точність оптико-електронних методів залежить від:

• похибок реєструючої апаратури;

• способу кріплення маркерів на суглобових точках та величини їх зміщення при виконанні руху;

• похибок аналізу кіно-, фотоматеріалів (при масштабі фотографії 1:10 і більше).

Для безпосереднього вимірювання значень суглобових кутів заєтосовують прилади, котрі називаються гоніометри. Вони бувають двох типів — механічні та електромеханічні. Суглобовий кут у статичному положенні можна виміряти механічним гоніометром. Він складається з двох шарнірне з'єднаних планок, котрі закріплюються на сполучених ланках тіла (плече - передпліччя, стегно - гомілка), а вісь шарніра суміщають з віссю суглоба. Таким чином, кут, утворений двома план­ками, характеризує суглобовий кут. Щоб його виміряти, на одній з планок кріплять транспортир зі шкалою, а на другій — покажчик. Не­доліком цього методу є те, що за його допомогою можна виміряти ку­ти лише у статиці (визначається максимальна рухомість у суглобі).

Для реєстрації змін кутів у суглобах під час руху використовують електрогоніометри, котрі дозволяють простежити за зміною суглобо­вих кутів у різних фазах руху з великою точністю.

Система для реєстрації суглобових переміщень складається з електрогоніометра (датчика), джерела живлення та регістратора гоніограм. При цьому величини кутових переміщень перетворюються на пропорціональні величини електричної напруги. Серед датчиків най­більш поширеними є потенціометричні з лінійними характеристика­ми. Вони забезпечують пропорціональність змін величини, що реєс­трується (кутове переміщення), та вихідного електричного сигналу.

У потенціометричному датчику вісь потенціометра з'єднана з од­нією з кріпильних планок датчика, а корпус — з іншою. Конструкція елементів кріплення може бути різною, але у будь-якому випадку при проведенні вимірювань планки закріплюються паралельно кісткам досліджуваної кінематичної пари, а вісь потенціометра має бути суміщена з віссю досліджуваного суглоба.

Кріплення гоніометрів здійснюється відповідно до анатомічних та біомеханічних особливостей досліджуваного біокінематичного ланцюга і має у кожному конкретному випадку різну конструкцію. У загальному вигляді універсальне кріплення складається з легких, гнучких (пластмасових) планок. Посадочні гнізда та датчи­ки, як правило, однотипові, дов­жина планок та поясів регулюється залежно від особливостей досліджуваної кінематичної, біокінематичної пари або ланцюга.

У 1970 р. А.М. Лапутіним були запропоновані оригінальні електрогоніометри, виготовлені у вигляді металевого екзоскелетона (зовнішнього скелета) тіла людини. Вони дозволяють реєструвати динаміку суглобових екскурсій одночасно усіх груп сполучень тіла людини та візуалізувати її в анало­говій формі на екрані осцилографа. Таким чином, ним було запропоновано екзоскелетонні гоніометри хребта, верхніх та нижніх кінцівок. Потенціометр, виготовлений з графіту або дроту, включається у найпростіший електричний ланцюг-міст, схема котрого представлена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Потенціометрична схема включення електрогонюметра.

Отримуваний безперервний електросигнал зручно реєструвати на самописці або шлейфному осцилографі. Перед початком роботи гоніометричну установку необхідно відтарувати, тобто визначити, наскільки зміщується перо самописця при відомих значеннях (0°, 90°, 135°, 180° суглобного кута). Тарування дозволяє відраховувати отримувані на стрічці самописа значення суглобового кута безпосередньо у градусах.

Значна кількість методів та способів вивчення кутових характе­ристик суглобів та взаємного розташування різних частин тіла було запропоновано Гамбурцевим у 1973 році [3]. Так, зокрема, він розробив ряд порівняно простих пристосувань гоніометричного типу. Наприклад, запропонований ним штангенциркуль складається зі штанги з прик­ріпленою перпендикулярно до її кінця ніжкою; друга ніжка прикріп­лена до рамки, котра ковзає по штанзі. На штангу нанесено мілімет­рові поділки, на рамці є риска, що слугує початком відліку. З боку, протилежного ніжкам штангенциркуля, за допомогою шарнірного з'єднання прикріплюється гоніометр, котрий може бути поставлений у різних площинах (сагітальній та фронтальній) відносно штанги (рис. 2.16., а). Гоніометр складається з основи, круглого корпуса зі шка­лою та стрілки-виска, що вільно обертається на осі. Нульова поділка шкали ставиться зверху. Праворуч та ліворуч від нульової поділки на­несено поділки від 1 до 180°. Усього на шкалі гоніометра нанесено 360 поділок. Завдяки своїй більш важкій нижній частині стрілка гоніомет­ра завжди встановлюється у вертикальному положенні та показує за шкалою кут нахилу вимірюваного об'єкта до вертикалі (або горизон­талі) у градусах.

Для вимірювань у сагітальній площині (сагітальних кривин хребта — кіфозів та лордозів, амплітуд згинання та розгинання хребта то­що) гоніометр встановлюється на шарнірі в одній площині з ніжками циркуля. Гоніометр може бути скомбінований також з великим тов­щинним циркулем (рис. 2.16., б).

Для вимірювань у фронтальній площині (сколіозу, амплітуд фронтальних рухів хребта та ін.) гоніометр встановлюють на шарнірі площини, що перпендикулярна до основних ніжок циркуля.

У сучасних дослідженнях для диференційованої оцінки динаміки м'язово-суглобових з'єднань опорно-рухового апарату може викорис­товуватися технічний комплекс "REV-9000" (2000 р.) італійської фірми "Теxnogum" (рис. 2.17 а, б).

А б

Рис. 2.16. Ковзний циркуль-гоніометр Гамбурцева (а) та великий товщинний гоніометр (б)

Рис. 2.17, а. Диференційована оцінка динаміки м'язово-суглобових з'єднань верхніх кінцівок ОРА на технічному комплексі "RЕV-9000".

Рис. 2.17, б. Диференційована оцінка динаміки м'язово-суглобових з'єднань нижніх кінцівок ОРА на технічному комплексі "RЕV-9000".

Цей апарат являє собою механічний пристрій екзоскелетонного типу, котрий дає змогу виміряти та візуалізувати на екрані комп'ютера деякі динамічні характеристики рухів у великих суглобах, зокрема швидкість зміни амплітуди суглобних рухів, силу, що докладає люди­на до механічних важелів пристрою, та роботу і потужність, котрі вит­рачаються при цьому певними ланками її тіла. Прилад може працю­вати в ізокінетичному, ізотонічному та пасивному режимах руху ряду великих біокінематичних пар опорно-рухового апарату. Ізокінетичний режим передбачає рухи у суглобових з'єднаннях людини з постійною швидкістю сполучених ланок та з опором, що змінюється. Ізотонічний режим передбачає рух тих самих ланок з постійним опором та швидкістю, котрі змінюються. Ізометричний режим вимагає від людини генерування відповідної сили скорочення м'язів, що приводять у рух сполучені у певному суглобі ланки тіла без реально­го вимірювання амплітуди руху у цьому суглобі. З метою створити для того чи іншого м'язово-суглобового з'єднання відповідну умови, котрі необхідні для виконання людиною певної програми рухової реабіліта­ції, у цьому апараті передбачений також режим примусових (пасив­них для людини) рухів ланок її тіла і тим самим стимуляції м'язів, що приводять їх до руху. Усі перераховані види рухів ланок у великих м'язово-суглобових з'єднаннях можуть однаково аналізуватися з комп’ютерною візуалізацією результатів вимірювання згаданих вище динамічних характеристик як у концентричному (рух по колу), так і у ексцентричному (переміщення по складній траєкторії) режимах ро­боти біоланок людини.