CC BY
264
УДК 531/534: [57+61]
Российский Журнал
www.biomech.ru
К ФАЗОВОМУ АНАЛИЗУ ХОДЬБЫ И НЕКОТОРЫХ РИТМИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА
А.С. Витензон, К.А. Петрушанская
Федеральный научно-практический центр медико-социальной экспертизы и реабилитации инвалидов Министерства здравоохранения и социального развития РФ, Москва, 127486, ул. Ивана Сусанина, 3, E-mail: lvov@newmail.ru
Аннотация. В статье приведены материалы по исследованию ходьбы человека по горизонтальной поверхности и по лестнице вверх и вниз, а также при ритмических движениях на велоэргометре. Описана и проанализирована фазовая биомеханическая структура этих двигательных актов, установлена роль основных групп мышц разгибателей и сгибателей в осуществлении локомоторных и ритмических движений. Выявлены существенные различия в деятельности мышц-антагонистов при ходьбе (силовая функция мышц-разгибателей и корректирующая функция мышц-сгибателей)
Ключевые слова: фазовая биомеханическая структура ходьбы, ритмические движения, мышцы-разгибатели и мышцы-сгибатели.
Введение
Несмотря на большое число исследований, посвящённых ходьбе и ритмическим движениям человека, эти акты недостаточно проанализированы с позиции их фазовой структуры и участия основных мышечных групп (разгибателей и сгибателей) в управлении двигательным процессом.
В настоящей работе сделана попытка рассмотреть основные фазы биомеханических событий, происходящих при разных видах ходьбы и велоэргометрии, найти объединяющие и различающиеся закономерности выполнения этих двигательных актов, выявить роль мышц-антагонистов в локомоторной синергии человека.
Материал и методы исследования
Исследования были проведены на группе здоровых испытуемых (10 человек) в возрасте от 20 до 40 лет. Рост испытуемых колебался от 172 до 190 см (в среднем 180 см), масса тела - от 64,3 до 103,6 кг (в среднем 84,2 кг).
Все испытуемые ходили по горизонтальной дорожке длиной 14 м, а затем по лестнице длиной 2,6 м. Лестница имела 7 ступенек высотой 15 см с металлической контактной поверхностью и площадкой наверху. В одну из ступенек была вмонтирована тензометрическая платформа для регистрации составляющих опорной
© А.С. Витензон, К.А. Петрушанская, 2005
09806267
реакции. Сравнительные исследования ходьбы по горизонтальной поверхности и по лестнице производили у одних и тех же испытуемых в одном и том же опыте без перестановки датчиков межзвенных углов и без какого-либо изменения в калибровке регистрирующих приборов.
Биомеханические параметры записывали в 6 проходах по горизонтальной дорожке и в 8 проходах по лестнице вверх и вниз.
Регистрировали следующие биомеханические параметры: основные показатели ходьбы (темп, длину шага, среднюю скорость), временные характеристики, кинематические параметры (угловые перемещения и скорости в основных суставах нижних конечностей), динамические характеристики (вертикальную и продольную составляющие главного вектора опорной реакции).
Ранее были получены данные о движениях тазового и плечевого пояса верхних конечностей, перемещении общего центра масс и работе соответствующих мышц при ходьбе по горизонтальной поверхности.
Наряду с биомеханическими показателями ходьбы регистрировали электрическую активность мышц: передней большеберцовой, внутренней икроножной, четырёхглавой бедра, полусухожильной, большой ягодичной, подвздошно-поясничной. Электрическую активность мышц отводили поверхностными электродами, увеличивали усилителем биопотенциалов УБФ-4 и вводили в аналого-цифровой преобразователь в виде огибающей сигнала электромиографа при постоянной времени, равной 5 мс.
Все измеряемые параметры обрабатывали на ПЭВМ с частотой 200 Гц при помощи 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя с погрешностью 2 разряда [1].
Биомеханические и электромиографические параметры при велоэргометрии исследовали у 9 здоровых испытуемых.
Регистрировали угловые перемещения в основных суставах нижних конечностей и электрическую активность следующих мышц: передней
большеберцовой, камбаловидной, внутренней икроножной, наружной широкой, полусухожильной, двуглавой бедра, прямой бедра, напрягающей широкую фасцию бедра. Использовали произвольный темп ритмических движений (36 об/мин) при нагрузке 9,8 Н.
Результаты исследований и их обсуждение
Основные биомеханические фазы локомоторного цикла и работа мышц при ходьбе по горизонтальной поверхности в норме
Уже элементарный анализ показывает, что в течение локомоторного цикла происходит закономерная смена фаз с различной характеристикой биомеханических и электрофизиологических процессов. К настоящему времени существует несколько классификаций фаз шага.
Наиболее распространенная из них основана на использовании временных показателей цикла, регистрируемых с помощью двухконтактной электроподограммы. По этой классификации цикл состоит из двух основных фаз: опорной и переносной. В свою очередь, опорная фаза разделяется на три интервала: опора на пятку, на всю стопу и носок. Кроме того, различают двуопорную фазу.
А
Н, см
Б
рад/с
В о
-2
рад/с
Г
-2 0,6
рад/с
2 1 0,3
Д 0 ' 0
-2
-4 - -0,3
Е
Ж
Рис. 1. Изменение динамических, кинематических и электрофизиологических параметров в течение цикла ходьбы: А - вертикальная (Я2) и продольная (Ях) составляющие опорной реакции, в % к массе тела; Б - вертикальные перемещения (Н) общего центра масс; В -голеностопный; Г - коленный; Д - тазобедренный углы правой ноги (град) и их первые производные (рад/с); Е - схема работы мышц правой ноги (1 - передняя большеберцовая, 2 -икроножная, 3 - четырёхглавая бедра, 4 - средняя ягодичная, 5 - большая ягодичная, 6 -подвздошно-поясничная); зачернённые участки - уступающая работа мышц, штриховка -преодолевающая работа мышц; Ж - подограммы (а - правой ноги, б - левой ноги)
Авторы, пользующиеся четырехконтактной электроподограммой, помимо двуопорной и переносной фаз, выделяют еще несколько интервалов, которые, по их мнению, отражают динамическую и статическую устойчивость при ходьбе [2, 3].
В основе ряда классификаций шага лежит изменение кинематических или динамических параметров ходьбы [4-9].
Многопараметрический анализ ходьбы позволяет разделить локомоторный цикл на шесть биомеханических фаз, разграниченных экстремальными значениями динамических параметров [10-13].
Отметим наиболее существенные черты каждой фазы локомоторного цикла (рис. 1).
Первая фаза (0 - 15% цикла) соответствует фазе амортизации. В этой фазе происходит развитие переднего толчка, начинается подъем общего центра масс, возникают амортизационные движения в трех основных суставах нижней конечности (подошвенное, а затем тыльное сгибание в голеностопном суставе, сгибание в коленном и тазобедренном суставах), наблюдается уступающая работа большинства мышц опорной ноги (тыльные сгибатели стопы в первой половине этой фазы, разгибатели коленного сустава и тазобедренного сустава в течение всей фазы).
Во второй фазе - выпрямления ноги (16 - 30% цикла) - наступает спад опорной реакции (в конце фазы обозначается ее минимум), завершается подъем общего центра масс (достигается момент вертикали), происходит выпрямление конечности вследствие тыльного сгибания в голеностопном суставе и разгибания в проксимальных суставах, работа мышц приобретает преодолевающий характер (мышцы разгибатели коленного сустава и тазобедренного сустава).
В третьей фазе - наклона голени вперёд (31 - 50% цикла) - развивается задний толчок; общий центр масс начинает опускаться (достигается пик ускорения падения общего центра масс); в результате продолжающегося разгибания во всех суставах опорная конечность наклоняется вперёд (к концу этой фазы наблюдается максимальное тыльное сгибание в голеностопном суставе и максимальное разгибание в коленном и тазобедренном суставах); работа мышц осуществляется в уступающем режиме (сгибатели пальцев, трехглавая мышца голени, сгибатели бедра).
В четвертой фазе - отталкивания ноги от пола (51 - 65%) - вначале происходит разгибание в плюснефаланговом суставе, комбинирующееся с наклоном голени вперёд. Оба перемещения противоположно влияют на положение общего центра масс: первое способствует его повышению, второе - его понижению. В середине этой фазы возникает подошвенное сгибание в голеностопном суставе. Это движение приводит к повышению уровня общего центра масс, которое частично нейтрализуется продолжающимся разгибанием в плюснефаланговом суставе, сгибанием в коленном суставе, наклоном таза во фронтальной и его ротацией в горизонтальной плоскостях. Три последние фазы (вторая, третья, четвертая) составляют вместе фазу отталкивания ноги от опоры [7].
Пятая и шестая фаза относятся к переносной фазе ипсилатеральной конечности, но соответствуют второй и третьей фазам контралатеральной ноги.
В пятой фазе - сгибания ноги в крупных суставах (66 - 76% цикла) - происходит тыльное сгибание в голеностопном суставе, заканчивается сгибание в коленном суставе, в то время как сгибание в тазобедренном суставе все еще продолжается. В конце этой фазы конечность приобретает максимальную линейную и угловую скорость, опорная реакция другой ноги минимизируется, а общий центр масс вновь занимает высшее положение. Данная фаза объединяет фазы подъема и разгона [7] и соответствует фазе ускоренного движения ноги [6]. В этой фазе тыльные сгибатели стопы и сгибатели бедра работают в преодолевающем режиме, активность мышц разгибателей находится на низком уровне.
Шестая фаза - приземления ноги (77 - 100% цикла) - является завершением двойного шага. Ее следует разделить на две подфазы.
В первой из них (77 - 88% цикла) разгибание в коленном суставе комбинируется со сгибанием в тазобедренном суставе; к концу этой подфазы линейная и угловая скорость конечности становятся равными нулю, а центр масс ноги достигает
Приведенные проценты цикла имеют ориентировочный характер, так как зависят от темпа (скорости) ходьбы
Подограмма правой ноги
с
□
Подограмма левой ноги
Рис. 2. Графики вертикальных перемещений общего центра масс тела человека (по М.И. Лапаеву, 1971) и изменения электрической активности мышц-разгибателей нижних конечностей в течение
цикла ходьбы
наивысшей точки. Во второй подфазе (89 - 100% цикла) заканчивается разгибание в коленном суставе и сгибание в тазобедренном суставе; в последнем затем наблюдается небольшое разгибание. Отмеченные подфазы соответствуют фазам торможения и опускания [7]. В течение шестой фазы мышцы в основном функционируют в уступающем режиме (сгибатели коленного сустава), но в самом конце фазы возможен и преодолевающий режим работы (тыльные сгибатели стопы, разгибатели коленного сустава).
Наиболее существенны для ходьбы первая и четвертая фаза, когда большинство параметров приобретает экстремальное значение.
Отмеченные фазы являются основными моментами взаимодействия нижних конечностей с опорной поверхностью, в результате которого происходит перемещение общего центра масс тела человека (рис. 2). Процесс протекает с различным участием двух основных мышечных групп ноги: разгибателей и сгибателей. Если работа мышц-разгибателей почти целиком направлена на перемещение общего центра масс и обеспечение устойчивости тела человека при ходьбе, то работа мышц-сгибателей имеет
преимущественно коррекционный характер: она способствует уточнению положений и движений отдельных сегментов конечности.
Основной динамический эффект при ходьбе - подъем и продвижение вперед общего центра масс тела - создается благодаря суммированию силовых эффектов, производимых мышцами-разгибателями обеих ног: трехглавой мышцей голени одной конечности во время заднего толчка; четырехглавой мышцей бедра и большой ягодичной мышцей другой конечности во время переднего толчка. Опускание общего центра масс требует меньшего участия мышц, так как накопленная при его подъеме потенциальная энергия превращается в кинетическую. Тем не менее, и эта фаза контролируется деятельностью мышц-разгибателей (трехглавой мышцей голени), что обеспечивает плавность опускания общего центра масс.
Таким образом, мышцы-разгибатели образуют основную (силовую) часть локомоторной синергии. Строгая упорядоченность их работы в течение цикла определяет четкий колебательный характер перемещения общего центра масс.
Коррекционная функция мышц-сгибателей обусловливает их меньшую связь с определенными фазами шага.
Количественный анализ электрической активности мышц показывает, что более выгодный в энергетическом отношении уступающий режим доминирует в деятельности мышц-разгибателей при ходьбе, тогда как в работе мышц-сгибателей преодолевающий и уступающий режимы имеют примерно одинаковую длительность.
Хотя решающая роль при ходьбе принадлежит движениям и работе мышц ног, определенные задачи выполняют движения и мышцы вышележащих частей тела. Так, нижняя половина туловища при ходьбе совершает сложное движение, которое может быть спроецировано на три взаимно перпендикулярные плоскости. Цикл движения в каждой плоскости состоит из шести фаз, сопоставимых с ранее описанными биомеханическими фазами.
Колебания относительно фронтальной плоскости имеют период, равный длительности цикла; повороты таза в сторону неопорной конечности происходят лишь в двуопорные фазы (1 и 4 биомеханические фазы). Колебания относительно сагиттальной плоскости составляют половину цикла: в двуопорные фазы наблюдается наклон таза назад, в одноопорные фазы - наклоны таза вперед. Ротация таза относительно горизонтальной плоскости совершается с периодичностью цикла: при опоре на правую ногу таз вращается по часовой стрелке, а при опоре на левую ногу -против часовой стрелки [14].
Сопоставление кривых, описывающих движения таза, с графиками составляющих опорной реакции дают основание считать, что наклоны и ротация нижней половины туловища при ходьбе являются результатом силового взаимодействия ног с опорной поверхностью. Об этом же свидетельствуют ЭМГ-исследования: электрическая активность возникает обычно в тех группах мышц, которые противодействуют движениям таза и позвоночника; максимальное значение активности приходится на те фазы шага, при которых эти движения приобретают наибольшую амплитуду и скорость. Следовательно, мышцы таза, спины и живота не создают движения этих звеньев тела при ходьбе, но, работая преимущественно в уступающем режиме, регулируют их параметры.
Многосторонняя функция движений таза и позвоночника при ходьбе может быть сведена к трем основным элементам: участию в механизме перемещения тела над опорной поверхностью, стабилизации его вертикальной позы и минимизации энерготрат посредством уменьшения амплитуды колебаний общего центра масс [15-17].
Вращательные движения верхнегрудного отдела позвоночника и плечевого пояса относительно всех плоскостей совершаются в противофазе к движениям нижнегрудного отдела позвоночника и таза. Кинематические кривые, описывающие движения рук, имеют форму, близкую к синусоидальной, и период, равный циклу ходьбы. Отрицательный экстремум этих кривых соответствует моменту, когда нога ставится на пятку, а верхняя конечность той же стороны находится в крайнем заднем положении. Положительный экстремум кривых достигается при 50% цикла, когда рука занимает крайнее переднее положение [18, 19].
Сопоставление кривых угловых перемещений в проксимальных суставах руки с кривой ротации верхнегрудного отдела позвоночника обнаруживает значительное сходство: экстремальные точки обеих кривых почти полностью совмещаются по оси времени. Сгибание правой руки в плечевом и локтевом суставах в первую половину цикла соответствует ротации верхнегрудного отдела позвоночника против часовой стрелки; разгибание в суставах руки во второй половине цикла по времени совпадает с ротацией этого же отдела позвоночника по часовой стрелке. В то же время, кривая ротации верхнегрудного и нижнегрудного отделов позвоночника различны по форме, величине и противоположны по направлению.
К динамическим факторам, вызывающим движения плечевого пояса и верхних конечностей, следует, прежде всего, отнести мышечные силы.
Согласно ЭМГ при ходьбе активируется лишь часть мышц плечевого пояса и рук, преимущественно мышцы-разгибатели и ротаторы: активация мышц-сгибателей мала и нерегулярна. Наиболее высокая волна возбуждения отмечается в середине цикла ходьбы. Все активируемые мышцы сначала работают в уступающем, а затем в преодолевающем режиме [18, 20]. Средняя электрическая активность мышц плечевого пояса и рук примерно в 2 - 3 раза меньше активности мышц нижних конечностей.
Таким образом, вращательные движения плечевого пояса и рук имеют активный характер, хотя в их построении также участвуют силы инерции и силы тяжести. Основное назначение этих движений - оптимизация ротационных движений таза с целью предотвращения чрезмерного осевого поворота тела при ходьбе.
В заключение отметим наиболее существенные биомеханические и
физиологические закономерности ходьбы человека:
• ходьба относится к числу баллистических движений, в которых минимизация
действия мышечных сил достигается путем всемерного использования сил инерции и реактивных сил [21];
• основную двигательную функцию при ходьбе выполняет группа мышц-разгибателей, которая обусловливает подъем и продвижение вперед общего центра масс и далее контролирует его опускание;
• мышцы-сгибатели имеют в основном коррекционную функцию, регулируя
движения отдельных сегментов тела по амплитудно-скоростным параметрам, особенно в переносную фазу шага.
• тогда как движения нижних и верхних конечностей являются результатом
деятельности их собственных мышц, движения нижней половины туловища при ходьбе отражают силовое взаимодействие ног с поверхностью опоры; мышцы таза, спины, живота не создают эти движения, но, работая главным образом в уступающем режиме, определяют их амплитуду и скорость; основная задача этих мышц - стабилизация вертикальной позы и уменьшение колебаний общего центра масс.
Е аЧ I—3
«^=-----------------------------------------а ~1 ™
Рис. 3. Изменение динамических, кинематических и электрофизиологических параметров в течение цикла при ходьбе по лестнице вверх: А - вертикальная (Я2) и продольная (Ях) составляющие опорной реакции, в % к массе тела; Б - голеностопный; В - коленный; Г -тазобедренный углы правой ноги (град) - сплошная линия и их первые производные (рад/с) -пунктирная линия; Д - схема работы мышц правой ноги (1 - передняя большеберцовая, 2 -икроножная, 3 - четырёхглавая бедра, 4 - средняя ягодичная, 5 - большая ягодичная, 6 -подвздошно-поясничная); зачернённые участки - уступающая работа мышц, штриховка -преодолевающая работа мышц; Е - подограмма (а - правой ноги, б - левой ноги)
Следовательно, наблюдается строгая специфичность биомеханической функции каждой части тела при ходьбе: опорная и толчковая функция ног, стабилизирующая функция туловища и балансировочная функция рук.
Основные биомеханические фазы локомоторного цикла и работа мышц при ходьбе по лестнице в норме
Тот же принцип разделения локомоторного цикла, использованный при рассмотрении ходьбы по горизонтальной поверхности, по-видимому, применим и для
Рис. 4. Изменение динамических, кинематических и электрофизиологических параметров в течение цикла при ходьбе по лестнице вниз. Остальные обозначения те же,
что на рис. 3
анализа биомеханической структуры ходьбы по лестнице. Основными критериями для фазировки цикла являются экстремальные значения опорных реакций, прежде всего составляющей. При этом также учитываются основные режимы работы мышц: преодолевающий и уступающий. В соответствии с такими принципами фазировки биомеханических событий удаётся выявить в цикле ходьбы по лестнице вверх и вниз шесть основных фаз [22-25].
Ходьба по лестнице вверх (рис. 3)
Первая фаза (0-19% цикла) характеризуется следующими изменениями биомеханических параметров: вертикальная Я2 и продольная Ях составляющие опорной реакции достигают максимальной величины в области переднего толчка. Одновременно наблюдается небольшое тыльное сгибание в голеностопном суставе и незначительное разгибание в коленном суставе и тазобедренном суставе.
Для второй фазы (19-36% цикла) типичными являются спад значений Я2 и Ях составляющих до минимума, слабое подошвенное сгибание в голеностопном суставе и резкое разгибание в коленном суставе и тазобедренном суставе с минимальной скоростью для опорной фазы. В результате нога, наступившая на вышестоящую ступеньку лестницы, почти полностью выпрямляется (до угла 13? в коленном и тазобедренном суставах).
Третья фаза (36-56% цикла), по существу, является подготовительной. Я2 составляющая достигает максимального значения в области заднего толчка, движения в голеностопном, коленном и тазобедренном суставах замедляются, наступает опора на передний отдел стопы.
В четвёртой фазе (56-70% цикла) события развиваются более стремительно, в конце фазы Яг и Ях составляющие приобретают максимальное значение в области переднего толчка контралатеральной ноги, происходит подошвенное сгибание в голеностопном суставе и резкое сгибание в коленном и тазобедренном суставах ипсилатеральной ноги, всё ещё находящейся на опоре: при этом наблюдается наибольшая угловая скорость движения в проксимальных суставах перемещающейся конечности; в конце этой фазы возникает отрыв стопы от опорной поверхности.
В пятой фазе (70-85% цикла) стопа наступает на следующую ступеньку благодаря энергичному тыльному сгибанию в голеностопном суставе, чрезмерному сгибанию в коленном суставе и умеренному сгибанию в тазобедренном суставе. На контралатеральной ноге обозначается минимальное значение Яг и Ях составляющих.
В шестой фазе (85-100% цикла)* завершается локомоторный цикл, стабилизируются движения в голеностопном и тазобедренном суставах, происходит корректирующее сгибательное движение в коленном суставе вследствие раннего превышения амплитуды разгибания. Стопа устанавливается на вышестоящую ступеньку при полусогнутом положении ноги. На контралатеральной конечности фиксируются максимальные значения Яг и Ях составляющих.
Таким образом, судя по величине и скорости движений, наибольшую роль при передвижении вверх по лестнице играют угловые перемещения в коленном суставе и отчасти в тазобедренном суставе. В первом из них в фазах опоры и переноса возникают наибольшие угловые скорости.
Уже на этом основании можно предположить, что наибольшее участие при ходьбе по лестнице в опорную фазу шага приобретает деятельность мышц-разгибателей коленного и тазобедренного суставов (четырёхглавой мышцы бедра, большой и средней ягодичных мышц и некоторых других экстензоров бедра). Менее ясна роль мышц голени. Во время опорной фазы на долю передней большеберцовой мышцы и отчасти икроножной мышцы падает роль стабилизатора голеностопного сустава.
Позднее икроножная мышца может принимать некоторое участие в подошвенном сгибании стопы и создавать толчок ноги вверх, а передняя большеберцовая мышца благодаря мощному сокращению в преодолевающем режиме вызвать подъём стопы.
Стремительное сгибание в коленном суставе осуществляется благодаря сокращению сгибателей голени (полусухожильной, двуглавой бедра и др.). В начале этого движения несомненное участие принимает и икроножная мышца. В шестой фазе уменьшение сгибания в коленном суставе может корректироваться разгибателями в
* Проценты фаз шага даны приблизительно, поскольку они в значительной мере зависят от скорости передвижения по лестнице.
тазобедренном суставе, т.е. теми же мышцами, но с переключением режима их работы на другой сустав.
Таким образом, в отличие от ходьбы по горизонтальной поверхности, преодолевающий режим в работе мышц нижних конечностей становится доминирующим при ходьбе по лестнице вверх. Последнее, вероятно, связано с необходимостью постоянного преодоления веса тела. В то же время, уступающий режим работы мышц имеет, скорее всего, корректирующее значение.
Ходьба по лестнице вниз (рис. 4)
Первая фаза (0-15% цикла) характеризуется изменением амплитуды Кг и Ях составляющих опорной реакции от нуля до максимальных значений в области переднего толчка. При этом в голеностопном суставе отмечается резкое тыльное сгибание стопы, ранее поставленной на передний отдел, небольшое сгибание в коленном суставе до угла 20? и практическое отсутствие угловых перемещений в тазобедренном суставе.
Во второй фазе (15-35% цикла) происходит спад амплитуд обеих составляющих опорной реакции до минимума; продолжается, но более плавное тыльное сгибание в голеностопном суставе, замедляются движения в коленном и тазобедренном суставах.
В третьей фазе (35-54% цикла) значение Яг составляющей опорной ноги становится максимальным, увеличивается наклон голени вперёд (тыльное сгибание в голеностопном суставе), резко возрастает амплитуда и угловая скорость сгибания в коленном суставе ноги, всё ещё находящейся на опоре, практически отсутствует движение в тазобедренном суставе.
В четвёртой фазе (54-65% цикла) формируется максимум Ях составляющей опорной ноги, а в конце этой фазы уже во время переноса возникают максимумы Яг и Ях составляющей контралатеральной конечности. Происходит перегиб кривой голеностопного сустава: тыльное сгибание сменяется подошвенным, завершается сгибание в коленном суставе и наблюдается небольшое сгибание в тазобедренном суставе.
В пятой фазе (66-81% цикла) опорные реакции контралатеральной конечности минимизируются. Продолжается подошвенное сгибание в голеностопном суставе, развивается быстрое сгибание в коленном суставе и небольшое сгибание в тазобедренном суставе.
В шестой фазе (81-100% цикла) завершается цикл ходьбы: стопа в положении резкого подошвенного сгибания (до 20?) устанавливается на нижестоящей ступеньке, происходит разгибание в коленном и тазобедренном суставах до угла 15?.
Во всех фазах участвуют мышцы нижней конечности, функционирующие в режимах уступающей или преодолевающей работы.
Для первых трёх фаз характерен преодолевающий режим передней большеберцовой мышцы, затем возникает постепенно нарастающий преодолевающий режим работы икроножной мышцы. Большинство мышц-разгибателей коленного и тазобедренного суставов в опорную фазу функционируют в режиме уступающей работы, наоборот, режим уступающей работы в течение переносной фазы заметен лишь у полусухожильной и двуглавой мышц бедра.
Сравнение ходьбы по лестнице вверх и вниз выявляет ряд общих и различных
черт.
К первым относится относительно более медленный характер движений в фазе опоры и более быстрый в фазе переноса, наибольшая амплитуда угловых перемещений в коленном суставе.
рад
рад/с 0,9
2 ГСУ 0,6
1 0 0,3 -0 1111 N. т% 1 1 1 1^** -Н
рад/с 0 1,2 1111 ) 20 40 рад 1 * ►* 1 1 1 1 V* 1 *6»^ 80 / 100
3- - 0,9 .
У2 _ 0,6 _
1 _ 0,3 _ - / / \
0 0 1 1 ь5 X ^ т% 5-4 1 1 1 ►
рад/с 0 0,9 20 рад 40 Ч, 60 80 / 100
2 _ 0,6 _
ТБУ к 0 - 0,3 -0 1 1 ''ч, 1 1Ч N. т% 1111 -М.
- 1 1 1 20 1 1— 40 —1 1 1 1—^ *♦<60 80 /100
М
Рис. 5. Кинематические и электрофизиологические параметры движений при проведении велоэргометрии: ГСУ - голеностопный угол, КУ - коленный угол, ТБУ - тазобедренный угол (рад) и их первые производные (рад/с) правой ноги; М — схема работы мышц нижних конечностей (1 - передняя большеберцовая, 2 - камбаловидная, 3 - икроножная, 4 - наружная широкая, 5 - полусухожильная, 6 - двуглавая бедра, 7 - прямая бедра, 8 - напрягающая широкую фасцию бедра); зачернённые участки - уступающая работа мышц, штриховка -
преодолевающая работа мышц
Вместе с тем, для ходьбы по лестнице вверх большое значение приобретают движения в тазобедренном суставе, для ходьбы по лестнице вниз - движения в голеностопном суставе.
Обращает на себя внимание также доминирующий силовой преодолевающий тип работы при ходьбе по лестнице вверх и, в основном, корректирующий и уступающий режим деятельности мышц при ходьбе по лестнице вниз.
Биомеханические фазы ритмических движений при проведении велоэргометрии (рис. 5)
В отличие от ходьбы при ритмических велоэргометрических движениях можно выделить две основные фазы: разгибательную и сгибательную. Первая из них является основной, поскольку запускает движения и определяет их скорость. Поэтому она характеризуется значительной синхронностью развития экстремальных значений
угловых скоростей и ускорений и подключением большого числа мышц нижних конечностей. В этой фазе участвует четырёхглавая мышца бедра (наружная широкая и прямая), напрягающая широкую фасцию бедра, несколько позднее полусухожильная и двуглавая мышцы бедра как разгибатели тазобедренного сустава и, наконец, разгибатели голеностопного сустава: камбаловидная и икроножная.
Разгибательная фаза начинается с работы двусуставных мышц, которые ранее функционируют как сгибатели тазобедренного сустава, а затем переключаются на роль разгибателей коленного сустава. К ним примыкают короткие головки четырёхглавой мышцы бедра, а завершают эту силовую композицию мышцы-разгибатели тазобедренного сустава (полусухожильная и двуглавая бедра) и мышцы-разгибатели голеностопного сустава (икроножная и камбаловидная).
Сгибательная фаза возникает по инерции вследствие продолжающегося кругового движения велосипедного колеса, запущенного другой нижней конечностью. Когда скорость этого движения начинает уменьшаться, подключаются мышцы-сгибатели голеностопного сустава (передняя большеберцовая) и мышцы-сгибатели тазобедренного сустава (прямая бедра и напрягающая широкую фасцию). В дальнейшем цикл переходит в разгибательную фазу [26].
Общее представление об основных компонентах локомоторных синергий
Ещё в 1974 г. авторами было высказано предположение, что локомоторная синергия состоит из двух частей: разгибательной и сгибательной. Это представление нельзя считать полностью оригинальным, так как и ранее отдельные авторы высказывали мнение о разной роли этих мышц в акте ходьбы животных и человека [27-30]. Более того, были установлены фундаментальные факты об асимметричном действии различных мышечных рецепторов (афферентов 1а, 1б, II) на альфа-мотонейроны мышц-антагонистов, были выявлены неоднозначные влияния центральных и афферентных факторов при управляемой локомоции [31, 32].
Тем не менее, все эти представления носили большей частью аналитический, а иногда фрагментарный характер и не касались существенных различий мышц-антагонистов в связи с выполняемыми ими локомоторными функциями.
Авторами было отчётливо показано, что мышцы-разгибатели и сгибатели отличаются по ряду важнейших особенностей.
1. Прежде всего, по анатомическому строению. Мышцы-разгибатели, особенно односуставные, представляют собой мышцы с большим поперечником и, следовательно, способны развивать большую силу, которая прогрессирует в возрастном аспекте. Наоборот, мышцы-сгибатели нижних конечностей, как правило, длинные тонкие мышцы, нередко филогенетически образованные из односуставных мышц, имеющих собственное кровообращение и иннервацию.
2. Мышцы-разгибатели как у животных, так и у человека, функционируют строго в опорную фазу (исключение составляют лишь отдельные двусуставные мышцы). Работа этих мышц в фазу опоры осуществляет силовое обеспечение локомоции в течение всего цикла. Активность мышц-сгибателей менее сконцентрирована в определённые фазы шага, хотя при хорошо отработанном навыке встречается в конце опорной и переносной фаз шага.
3. Мышцы-разгибатели создают перемещение общего центра масс, двигая тело как перевёрнутый маятник с точкой опоры в области голеностопного сустава. Мышцы-сгибатели, преимущественно, корректируют движения в переносную фазу шага. Причём эти движения, в основном, подготовлены предшествующей работой мышц-разгибателей в фазе опоры.
Таким образом, мышцы-разгибатели составляют силовую, а мышцы-сгибатели коррекционную части локомоторной синергии.
Вся многолетняя ортопедо-неврологическая практика показывает, что утрата основных мышц-разгибателей нижних конечностей создаёт неимоверные трудности для реабилитационного процесса: больных приходится заковывать в замковые аппараты и ходьба становится трудно достижимой. В то же время отсутствие многих мышц-сгибателей в меньшей мере влияет на возможности восстановления локомоции: функция этих мышц может быть в значительной степени восполнена с помощью буферно-приводных устройств.
При искусственной коррекции движений посредством электростимуляции мышц даже у чрезвычайно тяжёлых больных наибольший эффект достигается при электрическом воздействии на разгибатели тазобедренного сустава и коленного сустава.
Рассмотренные нами различные виды локомоций полностью подтверждают указанную точку зрения на функции мышц-антагонистов.
Не только при хорошо изученной ходьбе по горизонтальной поверхности, но и при ходьбе по лестнице вверх и вниз проявляется неоднозначная функция мышц-антагонистов. При ходьбе по лестнице вверх это особенно бросается в глаза, так как подъём массы тела вверх требует мощных усилий со стороны мышц-разгибателей. И, действительно, в ЭМГ-профиле этих мышц появляются крупные резкопролонгированные волны активности мышц, захватывающие большую часть опорной фазы.
Но и при ходьбе по лестнице вниз, где само перемещение массы тела вниз требует значительно меньших усилий, мышцы-разгибатели продолжают мощно работать, чтобы обеспечить нужную устойчивость тела и минимизировать риск падения.
Все приведённые данные о функциональном различии мышц-антагонистов при выполнении локомоторных и других движений имеют отнюдь не только теоретическое значение. Они должны стать основополагающими моментами в разработке различных восстановительных мероприятий при нарушениях и повреждениях опорнодвигательного аппарата, учитываться при всех видах реабилитационной тренировки мышечной функции.
Выводы
1. Многокритериальный анализ структуры ходьбы человека позволяет выявить в локомоторном цикле шесть устойчивых биомеханических фаз, разграниченных экстремальными значениями динамических параметров и представляющих собой совокупность изменений опорных реакций, перемещений общего центра масс, движений в различных суставах и режимов работы мышц. При ходьбе по горизонтальной поверхности и по лестнице вверх наиболее существенными являются фазы, отражающие подъём и перемещение вперёд общего центра масс тела человека.
2. Процесс перемещения общего центра масс при ходьбе происходит с различным участием основных мышечных групп ноги. Работа мышц-разгибателей, направленная на перемещение общего центра масс и создание устойчивости при ходьбе, составляет наиболее важный силовой компонент локомоции, тогда как работа мышц-сгибателей преимущественно состоит в коррекции положений и движений отдельных сегментов конечности, особенно в переносную фазу шага.
3. Наклоны и ротация нижней половины туловища при ходьбе являются результатом силового взаимодействия ног с поверхностью опоры. Мышцы таза, спины, живота не создают эти движения, но, работая, главным образом, в уступающем режиме, регулируют их параметры. В то же время, противофазная ротация плечевого пояса и рук возникает вследствие деятельности собственных мышц и содействует оптимизации ротационных движений таза. Принцип разделения мышц при ходьбе на силовые (разгибатели) и коррекционные (сгибатели) сохраняет своё значение для мышц туловища и верхних конечностей.
4. При ходьбе по лестнице характер движений и работы мышц приближается к локомоции по горизонтальной поверхности. Остаётся и основополагающий принцип рационального функционирования мышц-антагонистов. При подъёме по лестнице доминирует силовой преодолевающий тип работы мышц, а при спуске с лестницы - корректирующий и уступающий режим мышечной деятельности.
5. При ритмических велоэргометрических движениях наблюдаются две основные фазы: разгибательная и сгибательная. Первая из них является основной, так как запускает движения и определяет их скорость. Следовательно, и в этом случае преобладающей является функция мышц-разгибателей. Однако, при ритмических круговых движениях отчётливо выступает также роль двусуставных мышц как переключателей двигательного процесса с одного сустава нижней конечности на другой.
Список литературы
1. Гриценко, Г.П. Биомеханический комплекс для оценки ходьбы в норме и при нарушениях опорнодвигательного аппарата / Г.П. Гриценко, А.С. Витензон, Я.Л. Славуцкий, И.А. Сутченков // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 94. - М.: ЦНИИПП, 1997. - С. 84-87.
2. Лисица, И.Б. Исследование вариативности временной структуры шага / И.Б. Лисица, А.В. Саранцев // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 74. - М.: ЦНИИПП, 1986. - С. 77-93.
3. Лисица, И.Б. Прибор для оперативной оценки временной структуры шага / И.Б. Лисица,
А.В. Саранцев // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 77. - М.: ЦНИИПП, 1987. - С. 98112.
4. Бернштейн, Н.А. Исследования по биодинамике локомоций. Кн. I. / Н.А. Бернштейн. - М.-Л.: ВИЭМ, 1935.
5. The basic pattern of human locomotion / H. Elftman // Annals New York Acad. Sci. - 1951. -Vol. 51, № 7.
- P. 1207-1212.
6. Human locomotion / E. Peizer, D. Wright, C. Mason // Bulletin of Prosthetics Research. - 1969. - Vol. 1012. - P. 48-105.
7. Донской, Д.Д. Биомеханика с основами спортивной техники / Д.Д. Донской. - М.: Физкультура и спорт, 1971.
8. Лисица, И.Б. Определение временной структуры шага / И.Б. Лисица, А.В. Саранцев // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 91. - М.: ЦНИИПП, 1991. - С. 65-71.
9. Perry, J. Gait analysis: normal and pathological function / J. Perry. - N-Y.: Slack Incorporated, 1992.
- 524 p.
10. Витензон, А.С. Физиологическая роль различных мышц нижних конечностей при ходьбе /А.С. Витензон // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 32. - М.: ЦНИИПП, 1974. - С. 45-57.
11. Витензон, А.С. Исследование биомеханических и нейрофизиологических закономерностей нормальной и патологической ходьбы человека: Докт. дисс. / А.С. Витензон.
12. Витензон, А.С. Методы исследования ходьбы человека. Часть I. /А.С. Витензон // Теоретические основы построения протезов нижних конечностей и коррекции движений. - М.: ЦНИИПП, 1994. - С. 15-169.
13. Витензон, А.С. Закономерности нормальной и патологической ходьбы человека / А.С. Витензон. -М.: ООО "Зеркало-М", 1998. - 273 с.
14. Беленький, В.Е. Исследование движений таза и позвоночника при ходьбе / В.Е. Беленький // Ортопедия, травматология, протезирование.- 1971.- № 7. - С. 37-43.
15. Витензон, А.С. К биомеханическому анализу движений таза, позвоночника и работы мышц туловища при ходьбе в норме / А.С. Витензон, В.Е. Беленький // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 29. - М.: ЦНИИПП, 1972. - С. 36 - 47.
16. Витензон, А.С. Некоторые вопросы регуляции мышц туловища при ходьбе в норме / А.С. Витензон,
В.Е. Беленький // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 31. - М.: ЦНИИПП, 1973. - С. 29
- 38.
17. Витензон, А.С. Механизмы вращательных движений таза и позвоночника / А.С. Витензон, В.Е. Беленький // Ортопед., травматол. -1976. - Вып. 6. - С. 58 - 64.
18. Витензон, А.С. К анализу движений и электрической активности мышц плечевого пояса и верхних конечностей при ходьбе в норме / А.С. Витензон // Протезирование и протезостроение: Сб. тр. Вып. 35. - М., ЦНИИПП, 1975. - С. 91-96.
19. Murray, M. Patterns of sagittal rotation of the upper limbs in walking / M. Murray, S. Sepic, E. Barnard // J. Amer. Phys. Therapy. -1967. - Vol. 47, № 3. - P. 272-284.
20. Balksteros, M. The pattern of muscular activity during the arm swing of natural walking / M. Balksteros,
F. Buchthal, P. Rosenfalch //Acta Physiol. Scand.- 1965. - Vol. 63. - P. 296-310.
21. Бернштейн, Н.А. О построении движений / Н.А. Бернштейн. - М.: Медгиз, 1947.
22. Vitenson, A.S. Biomechanical investigation of the horizontal and stairs walking / A. S. Vitenson,
G.P. Gritsenko, K.A. Petrushanskaya, I.A. Sutchenkov, N.E. Mikheeva // Russian Journal of Biomechanics. -2000. - Vol. 4, No.4. - P. 61-76.
23. Vitenson, A.S. Electromyographic investigation of the horizontal and stairs walking / A.S. Vitenson, K.A. Petrushanskaya, N.E. Mikheeva, G.P. Gritsenko, I.A. Sutchenkov // Russian Journal of Biomechanics. -2000. - Vol. 4, No.4. - P. 77-97.
24. Витензон, А.С. Биомеханические исследования ходьбы по горизонтальной поверхности и по лестнице / А.С. Витензон, Г.П. Гриценко, К.А. Петрушанская, И.А. Сутченков, Н.Е. Михеева // Биомеханика-2000: Тез. докл. V Всерос. конф. -Нижний Новгород, 2000.
25. Витензон, А.С. Электромиографические исследования ходьбы по горизонтальной поверхности и по лестнице / А.С. Витензон, К.А. Петрушанская, Г.П. Гриценко, Н.Е. Михеева, И.А. Сутченков // Биомеханика-2000: Тез. докл. V Всерос. конф. - Нижний Новгород, 2000.
26. Петрушанткая, В.А. Биомеханическое и физиологическое обоснования применения функциональной электростимуляции мышц при выполнении ритмических движений на велоэргометре / К.А. Петрушанская, А.С. Витензон, Г.П. Гриценко, И.А. Сутченков // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. - 2004. -№ 2. -С. 8-11.
27. Гранит, Р. Основы регуляции движений / Р. Гранит. - М.: Мир, 1973.
28. Morton, D. Human locomotion and body form / D. Morton, D. Fuller. - Baltimore, Williams and Wilkins
Co., 1952.
29. Жуков, Е.К. Биомеханика физических упражнений / Е.К. Жуков, Е.Г. Котельникова, Д.А. Семёнов // Физкультура и спорт. - М., 1963.
30. Close, J.R. The phasic activity of the muscles of the lower extremity and effect of tendon transfer
/ J.R. Close, F. Todd // J. Bone Joint Surg.-1959. - Vol. 41-A. -P. 189-208.
31. Шик, М.Л. Управление наземной локомоцией млекопитающих животных / М.Л. Шик // Физиология движений / Л.: Наука, 1976. - С. 234-275.
32. Shik, M.L. Neurophysiology of locomotor automatism / M.L. Shik, G.N. Orlovsky // Physiol.Rev. -1976. -Vol. 56. - P. 456-501.
PHASE ANALYSIS OF WALKING AND SOME RHYTHMICAL MOTIONS OF A MAN
A.S. Vitenson, K.A. Petrushanskaya (Moscow, Russia)
Materials on investigations of human horizontal and stairs walking and, besides, of rhythmical motions on bicycle ergometer are presented in this article. Phase biomechanical stricture of these motional acts has been described and analyzed, the role of the main muscular groups - extensors and flexors in realization of the locomotor and rhythmical motions has been established. The essential distinctions of realization of activity of muscles-antagonists has been revealed (force function of muscles-extensors and correctional function of muscles-flexors).
Key words: phase biomechanical gait structure, rhythmical motions, muscles-extensors and flexors.
Получено 17 января 2005
