CC BY
78
А.В. Шпаков1, А.В. Воронов2
Моторный паттерн ходьбы человека в условиях различной по величине гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат
1 НИИ космической медицины Федерального научно-клинического центра
ФМБА России, г. Москва
2 Федеральный научный центр физической культуры и спорта, г. Москва
A.V. Shpakov1, A.V. Voronov2
Motion pattern of human gait in varying gravitation load on the musculoskeletal system
1 Research Institute for Space Medicine Federal Research Clinical Center of Federal Biomedical
Agency of Russia, Moscow 2 Federal Research Center of Physical Education and Sports, Moscow
Ключевые слова: локомоции, нормальная ходь- Keywords: locomotion, normal walking, electro-
ба, электромиография, электромиографическая myography, EMG-activity of muscles, simulated
активность мышц, моделируемая гравитация, gravity, double step, double-step phases.
двойной шаг, фазы двойного шага.
Fifteen men and nine women participated as volunteers in the investigation. They performed a walking on treadmill at the pace of 90 steps/ minute with different gravitational loading on the musculoskeletal system. We investigated the biomechanical characteristics of the normal walking on a treadmill under conditions of different gravitational load on the musculoskeletal system. The change and regulation of the gravitational load on the musculoskeletal system produced by the vertical suspension with «H/P/Cosmos-Airwalk» system. Electromyographic activity of the leg and thigh muscles was recorded and analyzed. The article presents the results of a comparative analysis of the electromyographic profile of muscles in a double-step cycle during walking under conditions of different gravitational load on the musculoskeletal system (100, 38 and 16% of the body weight). The results of the study revealed significant changes in the motor pattern of walking in the conditions of reducing the weight load on the musculoskeletal system. The most pronounced changes in EMG-activity and EMG amplitude were observed in the shin muscles, in particular, the ankle extensors m. soleus and m. gastrocnemius medialis in different phases of the double step.
У 24 испытателей-добровольцев (15 мужчин, 9 женщин) исследовали биомеханические характеристики нормальной ходьбы на беговой дорожке в условиях различной по величине гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Изменение и регулирование гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат производили путем вертикального вывешивания с использованием системы «H/P/Cosmos-Airwalk». Тестирование испытателей заключалось в выполнении ходьбы в темпе 90 шагов в минуту. Регистрировали и анализировали электромиографическую активность мышц голени и бедра. В статье приведены результаты сравнительного анализа электромиографического профиля мышц в цикле двойного шага при ходьбе в условиях различной по величине гравитационной нагрузки (весовой) на опорно-двигательный аппарат (100, 38 и 16%массы тела испытателей). Результаты исследования выявили значительные изменения в моторном паттерне ходьбы в условиях снижения весовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Наиболее выраженные изменения как профиля электромиографической активности, так и амплитудных характеристик наблюдались в мышцах голени, в частности мышцах-разгибателях голеностопного сустава m. soleus и m. gastrocnemius medialis в различных фазах двойного шага.
Цель исследования — определение роли снижения гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат (ОДА) человека в изменении электромиографических характеристик ходьбы человека применительно к условиям пониженной гравитации.
Анализ данных литературы по тематике нашего исследования позволил установить, что регистрация биомеханических параметров ходьбы уходит своими корнями в далекое прошлое. Первые попытки исследования локомоторных движений человека, ориентированные на выявление биомеханических законов, выполнил Э.-Ж. Маре более 100 лет назад [1]. Специально для своих исследований он изобрел пневматические датчики, акселерометры и портативные многоканальные механические самописцы. Н.А. Бернштейн является пионером биомеханического метода анализа локомоций человека. Суть метода киноциклографии, предложенного Н.А. Бернштейном, заключалась в регистрации перемещения суставов тела человека неподвижной фотокамерой [2]. На проекции суставов испытуемого крепили лампочки. Испытуемый с включенными лампочками двигался перпендикулярно оптической оси камеры. Обтюратор с вырезанным окном вращался перед открытым объективом фотокамеры. Окно обтюратора, периодически появляясь перед объективом, делало траекторию движения суставов прерывистой [3]. Рассмотренные методы исследования локомоций человека представляли собой первые попытки изучения движений человека в различных сферах деятельности. Они были, как правило, направлены на регистрацию и анализ «внешней» структуры движений (частота и длина шагов, суставная кинематика и т.п.).
В настоящее время для понимания полной картины организации локомоторных движений человека необходимо рассмотрение не только «внешней» структуры локомоций, но и «внутренней» составляющей. К «внутренней» структуре локомоций относится деятельность мышц, обеспечивающих выполнение конкретного движения (электромиографическая активность) и то, с какой работой выполняется движение (электромиографическая стоимость).
Применение поверхностной биполярной электромиографии (ЭМГ) в биомеханических исследованиях является одним из информативных методов оценки функционирования мышц в биомеханических исследованиях [3]. Поверхностную (накожную) биполярную ЭМГ при исследовании двигательных действий человека применяют для определения временных периодов активности мышц, оценки величин развиваемых мышечных усилий, определения профиля силы тяги мышц по экстремумам электрической активности, оценки степени мышечного утомления [3].
Пациенты и методы
В исследовании приняли участие 24 доГ ровольца: 15 мужчин и 9 женщин. Электромиографические параметры ходьбы регистрировали с использованием 8-каналь-ного электромиографа, входящего в состав системы видеоанализа движений «Вю8о11-У1ёеотоИоп3В>>. Следует отметить, что запись видеоизображения и электромиограм-мы полностью синхронизирована, что позволяет производить анализ биомеханической информации с большей точностью, чего не было в наших предыдущих исследованиях [4; 5], но в полной мере реализовано в настоящем исследовании, а также в предыдущих работах [5]. При обработке биомеханической информации анализировали ЭМГ-активность мышц голени и бедра в следующих относительно-временных точках двойного шага: при постановке стопы на опору в начале цикла двойного шага, во время отталкивания и при переносе ноги в фазе маха. Конечным показателем при анализе ЭМГ-активности была амплитуда интегрированной электромиограммы (А-тах).
Испытатели выполняли локомоторный тест — ходьбу на беговой дорожке в темпе 90 шагов в минуту при различных условиях гравитационной нагрузки на ОДА. При тестировании испытателей использовали три режима ходьбы с различной гравитационной нагрузкой на ОДА: 1) 100% веса тела испытателя (ходьба-10), при данной весовой нагрузке на ОДА имитировали ходьбу в условиях земной силы тяжести; 2) 38% веса тела испытателя (ходьба-0,380), ха-
рактерно для нахождения человека на поверхности Марса; 16% веса тела испытателя (ходьба-0,160), характерно для нахождения человека на поверхности Луны. Изменение и регулирование гравитационной нагрузки на ОДА производили путем вертикального вывешивания с использованием системы «H/P/Cosmos-Airwalk».
Анализ результатов данного исследования выполняли в два этапа:
1) сравнительная оценка профилей ЭМГ-активности мышц голени и бедра во время ходьбы при различных величинах гравитационной нагрузки на ОДА;
2) оценка A-max мышц голени и бедра при ходьбе во время ходьбы при различных режимах гравитационной нагрузки на ОДА.
Результаты исследования и их обсуждение
Сравнительная оценка профилей ЭМГ-активности мышц голени и бедра во время ходьбы при различных режимах гравитационной нагрузки на ОДА.
Согласно литературным данным [6; 8] цикл двойного шага определяется как интервал времени между двумя последовательными «вхождениями» одного из повторяющихся событий (фазы, моменты) при ходьбе. Любое событие может быть выбрано, чтобы определить цикл походки, но, как правило, удобно использовать тот момент, при котором одна нога контактирует с опорой первой (initial contact — первоначальный контакт, фаза переднего толчка). Если цикл двойного шага начинается с первоначального контакта правой стопы, то цикл будет продолжаться до тех пор, пока
правая нога будет контактировать с опорой снова. Для левой ноги проходит точно такая же серия событий, но смещенных по времени на половину цикла. Для анализа ходьбы используются следующие термины для определения основных событий цикла двойного шага (рис. 1):
• heel contact — постановка стопы на опору;
• foot flat — момент полного контакта подошвенной поверхности стопы с опорой;
• mid stance — момент «вертикали»;
• heel off — момент отрыва пятки от опоры (начало отталкивания);
• toe off — момент отрыва стопы, а именно большого пальца от опоры (завершение отталкивания); данное положение стопы разграничивает опорной период (stance phase) и безопорный период (swing phase);
• mid swing — момент прохождения правой стопы в плоскости левой;
• heel contact — постановка правой стопы на опору (следующего шагового цикла).
Эти семь событий помогают подразделить цикл двойного шага на семь периодов, четыре из которых приходятся на опорной период (heel contact, foot flat, mid stance, heel off) и три — на безопорный период (toe off, mid swing, heel contact).
Данную терминологию справедливо использовать и для анализа ЭМГ-активности мышц ног во время ходьбы или бега.
На данном этапе работы оценивали и сравнивали периоды максимальной и минимальной активности отдельной мышцы в цикле двойного шага. Профили ЭМГ-активности мышц голени во время ходьбы при различных величинах гравитационной
Рис. 1. Положение ног в цикле двойного шага от контакта правой стопы до контакта правой стопы [8]
Рис. 2. Электромиографический профиль мышц голени при ходьбе в темпе 90 шагов в минуту на беговой дорожке при различном уровне гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат
По оси абсцисс - время двойного шага, %; по оси ординат - амплитуда ЭМГ, мВ. Приведены данные по группе женщин
нагрузки на ОДА представлены на рисунке 2.
При нормальной ходьбе (ходьба-IG — при 100% веса тела испытателя) в темпе 90 шагов в минуту профиль ЭМГ-активности флексора голеностопного сустава m. tibialis anterior имеет два максимума. Первый приходится на самое начало цикла двойного шага — постановку стопы на опору (heel contact), что составляет 0—5% времени двойного шага. В эту фазу происходит сгибание в голеностопном суставе, A-max может достигать величины 180—200 мВ. Затем происходит полный контакт подошвенной поверхности стопы с опорой (foot flat), и ЭМГ-активность m. tibialis anterior снижается до 15—20 мВ. Второй максимум m. tibialis anterior наблюдается при переносе ноги в фазе маха (mid swing). Во временном выражении это составляет 75—85% времени двойного шага, когда происходит незначительное сгибание голеностопного сустава и A-max до-
стигает 110—130 мВ. Минимальное значение ЭМГ-активности m. tibialis anterior регистрируется на временном отрезке 15—50% времени двойного шага, что соответствует положениям ноги foot flat, mid stance, heel off и tое off. Во время ходьбы при измененной гравитационной нагрузке на ОДА (ходьба-0,38G и ходьба-0,16G, 38 и 16% веса тела испытателя соответственно) профиль ЭМГ-активности m. tibialis anterior отличается от ходьбы-Ю меньшей A-max в момент постановки стопы на опору, более плавным снижением ЭМГ-активности при переходе от постановки стопы к моменту полного контакта подошвенной поверхности стопы с опорой. В то же время увеличение ЭМГ-активности при переходе к отталкиванию во время ходьбы-0,38G и ходьбы-0,16G происходит значительно быстрее, чем при ходьбе-Ю. Второй максимум ЭМГ-активности m. tibialis anterior, в отличие от нормальной ходьбы, значительно возрастает — до 170—190 мВ.
Рис. 3. Электромиографический профиль мышц бедра при ходьбе в темпе 90 шагов в минуту на беговой дорожке при различном уровне гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат
По оси абсцисс - время двойного шага, %; по оси ординат - амплитуда ЭМГ, мВ. Приведены данные по группе женщин
Для экстензоров голеностопного сустава m. soleus и m. gastrocnemius medialis фазой максимальной активности является отталкивание (heel off), т.е. период 45— 55% времени двойного шага. A-max для m. soleus может составлять 120—140 мВ, для m. gastrocnemius medialis — 200—220 мВ. Уменьшение ЭМГ-активности m. soleus и m. gastrocnemius medialis после завершения отталкивания ^ое off) происходит до 15—25 мВ. Затем ЭМГ-активность m. soleus остается неизменной на всем протяжении безопорного периода (swing phase) и до начала следующего шагового цикла (heel contact). В профиле ЭМГ-активности m. gastrocnemius medialis в период маха (55—100% времени двойного шага) наблюдается еще одно незначительное увеличение, которым обусловлено сгибание коленного сустава, так как m. gastrocnemius medialis является двухсустав-ной мышцей и принимает участие не только в разгибании голеностопного сустава во
время отталкивания, но и в сгибании коленного сустава при переносе ноги. Увеличение ЭМГ-активности m. gastrocnemius medialis наблюдается приблизительно за 15—20% до окончания фазы маха. Во время ходьбы-0,38G и ходьбы-0,160 отличительными особенностями ЭМГ-активности m. soleus по сравнению с ходьбой-IG являются меньшая величина A-max, а также более быстрые увеличение и снижение A-max во время отталкивания.
Профили ЭМГ-активности мышц бедра во время ходьбы при различных величинах гравитационной нагрузки на ОДА представлены на рисунке 3.
Мышцы передней поверхности бедра m. vastus lateralis и m. rectus femoris при нормальной ходьбе в темпе 90 шагов в минуту наибольшую нагрузку испытывают при постановке стопы на опору (heel contact), когда происходит перенос веса тела на опорную ногу. Следовательно, максималь-
ная ЭМГ-активность для данных мышц будет регистрироваться в самом начале цикла двойного шага (примерно 0—10% времени двойного шага) и составляет около 30—40 мВ для m. vastus lateralis и около 20—25 мВ для m. rectus femoris. При переходе к моменту «вертикали» (mid stance) ЭМГ-активность как m. vastus lateralis, так и m. rectus femoris снижается до 5—10 мВ. Поскольку темп ходьбы в нашем исследовании соответствует средней скорости ходьбы человека в повседневной жизни (около 4,5 км/ч), мышцы передней поверхности бедра не принимают активного участия в выполнении отталкивания (heel off). Соответственно и ЭМГ-активность m. vastus lateralis и m. rectus femoris значительно не возрастает. Дальнейшее возрастание ЭМГ-активности m. vastus lateralis и m. rectus femoris наблюдается уже в самом завершении цикла двойного шага (85—100% времени шага), что обусловлено переносом ноги и разгибанием в коленном суставе для подготовки к следующему шагу. Величина ЭМГ-активности m. biceps femoris при нормальной ходьбе в начале двойного шага составляет около 50—60 мВ и снижается до 15—20 мВ на временном отрезке 15—50% времени двойного шага. Во время отталкивания ЭМГ-активность мышцы возрастает до 25 мВ. При переносе ноги в фазе маха (swing phase) ЭМГ-активность m. biceps femoris возрастает с 10—15 мВ во время отрыва ноги от опоры до 55—65 мВ при выносе ноги вперед и начале следующего шага.
Во время ходьбы с измененной гравитационной нагрузкой профили ЭМГ-активности мышц бедра несколько изменяются. Так, если рассматривать профили m. vastus lateralis и m. rectus femoris при ходьбе-0,380, то можно наблюдать полное отсутствие пика ЭМГ-активности при постановке стопы на опору (heel contact), в отличие от ходьбы при 100% весовой нагрузке (ходьба-1G). Незначительно возрастает ЭМГ-активность разгибателей коленного сустава только в безопорной фазе ( swing phase) при переносе ноги (80—90% времени двойного шага). При ходьбе-0,16G также происходит изменение в профиле ЭМГ-активности m. vastus lateralis и m. rectus femoris, ко-
торые отличаются как от ходьбы-IG, так и от ходьбы-0,38G. Наибольшее проявление ЭМГ-активности этих мышц наблюдается во время отталкивания (55—65% времени двойного шага). Более выраженные отличия при ходьбе с пониженной гравитационной нагрузкой на ОДА были выявлены при сравнительном анализе профилей ЭМГ-активности m. biceps femoris. В отличие от ходьбы-IG, при ходьбе-0,38G и ходьбе-0,16G значительно возрастает ЭМГ-активность на всем протяжении опорной фазы (0—40% времени двойного шага). Это может быть обусловлено изменением межмышечной координации мышц-антагонистов, которыми в данном случае выступают разгибатели и сгибатели коленного сустава, а также необходимостью поддержания вертикальной позы во время ходьбы в измененных условиях.
Таким образом, сравнительный анализ профилей ЭМГ-активности мышц голени и бедра при ходьбе с различной гравитационной нагрузкой на ОДА позволяет заключить следующее. Ходьба при весовой нагрузке 38 и 16% массы тела испытателей обусловливает изменения как величины амплитуды ЭМГ-активности мышц, так и максимальной и минимальной активности мышц в цикле двойного шага. Из наиболее значимых отличий среди мышц голени следует отметить возрастание ЭМГ-активности m. tibialis anterior при переносе ноги в фазе маха, более медленное достижение максимального пика ЭМГ m. soleus, а также почти двукратное снижение амплитуды ЭМГ m. gastrocnemius medialis во время выполнения отталкивания. В мышцах бедра обращают на себя внимание практически полное отсутствие ЭМГ-активности m. vastus lateralis и m. rectus femoris при ходьбе с нагрузкой 38 и 16% массы тела, значительное увеличение амплитуды ЭМГ m. biceps femoris в опорной фазе двойного шага.
Оценка A-max мышц голени и бедра при ходьбе во время ходьбы при различных режимах гравитационной нагрузки на ОДА.
Параметры максимальной амплитуды ЭМГ мышц голени в группах мужчин и женщин представлены в таблице 1.
Таблица 1
Максимальная амплитуда ЭМГ мышц голеии во время ходьбы на беговой дорожке при различной гравитационной
нагрузке на опорно-двигательный аппарат
М У Ж ч и н ы
Tibialis anterior Soleus Gastrocnemius medialis
1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G
Постановка стопы (heelcontact) 216,3± 99,8 184,4± 89,8 163,1± 50,2 26,4± 8,7 22,5± 7,1 20,7± 7,5 23,8± 10,8 26,2± 12,7 22,7± 14,6
Отталкивание (heel off) 25,9± 10,2 22,3± 8,0 17,9± 11,0 120,0± 42,3 100,2± 38,2 61,4± 29,4 233,6± 104,8 113,5± 47,9 86,2± 65,7
Перенос ноги (swingphase) 109,8± 51,3 91,6± 49,3 94,3± 48,6 17,1± 6,3 14,7± 3,6 14,5± 3,8 15,6± 6,5 18,8± 11,4 14,1± 5,3
¥ Ж Е Н Щ И Н Ы
Tibialis anterior Soleus Gastrocnemius medialis
1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G
Постановка стопы (heelcontact) 180,6± 55,3 152,0± 50,4 119,5± 75,7 39,8± 12,5 34,8± 13,0 23,0± 15,6 26,8± 8,8 33,5± 13,8 15,9± 9,6
Отталкивание (heel off) 36,8± 10,3 33,7± 13,8 24,6± 14,4 131,4± 37,0 130,2± 75,8 122,5± 88,1 212,6± 84,7 101,7± 71,2 75,4± 52,6
Перенос ноги (swingphase) 122,2± 49,6 179,3± 65,3 178,8± 108,6 28,7± 16,6 33,3± 13,9 29,5± 20,0 20,1± 7,0 24,4± 8,8 27,9± 8,8
Как показывают данные, представленные в таблице 1, как среди мужчин, так и среди женщин основная «работа» в момент постановки стопы на опору выполняется мышцей-флексором голеностопного сустава m. tibialis anterior. Об этом свидетельствуют параметры амплитуды ЭМГ. Возрастание ЭМГ m. tibialis anterior в момент постановки стопы на опору обусловлено сгибанием в голеностопном суставе. Экстензоры же голеностопного сустава активного участия в данной фазе двойного шага не принимают, соответственно амплитуда m. soleus и m. gastrocnemius medialis минимальна. При ходьбе с пониженной нагрузкой на ОДА амплитуда m. tibialis anterior уменьшается по сравнению с ходьбой-1G на 15% (ходьба-0,38G) и на 25% (ходьба-0,16G) среди мужчин. Среди женщин уменьшение величины амплитуды при ходьбе-0,38G составляет также 15%, а при ходьбе-0,16G амплитуда ЭМГ уменьшается значительно больше, чем у мужчин, и составляет 33% по сравнению с нормальной ходьбой.
Во время отталкивания основную нагрузку выполняют экстензоры m. soleus и m. gastrocnemius medialis, так как происходит подошвенное разгибание голеностопного сустава. При этом наибольшая роль принадлежит m. gastrocnemius medialis.
Аналогично m. tibialis anterior амплитуда m. soleus и m. gastrocnemius medialis при ходьбе в условиях пониженной нагрузки на ОДА снижается. Для m. soleus это уменьшение составляет 17 и 48% при ходьбе-0,38G и ходьбе-0,16G соответственно среди мужчин. У женщин амплитуда m. soleus изменяется при данных типах ходьбы значительно меньше — до 1% при ходьбе-0,38G и до 7% при ходьбе-0,16G. Для m. gastrocnemius medialis анализ амплитуды показал значительно большие изменения, которые были сопоставимы в группах мужчин и женщин. Так, ходьба при 38% весовой нагрузке обусловила снижение амплитуды ЭМГ m. gastrocnemius medialis на 52%, ходьба при 16% весовой нагрузке — на 64%.
Безопорная фаза двойного шага характеризуется увеличением амплитуды ЭМГ флексора m. tibialis anterior и почти полным исчезновением ЭМГ-активности экстензоров m. soleus и m. gastrocnemius medialis. Также присутствует разнонаправленный характер изменения амплитуды ЭМГ у мужчин и женщин. Если в группе мужчин наблюдается снижение ЭМГ-активности m. tibialis anterior при переносе ноги на 17% при ходьбе-0,38G и 14% при ходьбе-0,16G, то в женской группе, напротив, происходит увеличение ЭМГ-активности m. tibialis
Таблица 2
Максимальная амплитуда ЭМГ мышц бедра во время ходьбы иа беговой дорожке при различной гравитационной
нагрузке на опорно-двигательный аппарат
Л M У Ж ч и H ы
Vastuslateralis Rectus femoris Biceps femoris
1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G
Постановка стопы (heelcontact) 57,9± 28,0 14,1± 5,2 14,8± 8,0 38,1± 9,5 13,8± 3,2 13,3± 3,6 53,9± 21,3 63,2± 44,0 58,1± 26,9
Отталкивание (heel off) 12,9± 5,8 13,3± 3,5 14,0± 4,4 15,0± 6,0 18,1± 5,6 19,2± 6,3 11,0± 3,1 14,4± 5,8 15,4± 5,8
Перенос ноги (swingphase) 11,8± 4,5 11,4± 3,4 15,2± 7,2 14,0± 6,1 13,5± 3,0 13,8± 3,7 12,7± 4,0 13,9± 6,2 12,7± 3,4
¥ Ж Е H Щ И H Ы
Vastuslateralis Rectus femoris Biceps femoris
1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G 1G 0,38G 0,16G
Постановка стопы (heelcontact) 40,6± 24,3 14,7± 5,5 14,1± 2,9 28,1± 8,2 17,4± 8,4 85,9± 60,3 60,9± 50,3 64,8± 47,7 85,9± 60,3
Отталкивание (heel off) 14,8± 4,8 14,2± 6,4 15,7± 2,7 20,9± 20,9 22,0± 13,9 21,5± 6,0 26,8± 18,9 15,8± 6,0 13,9± 0,9
Перенос ноги (swingphase) 10,3± 2,7 14,4± 3,7 12,7± 3,4 11,7± 3,7 16,9± 7,6 16,4± 7,5 11,5± 1,5 14,7± 3,6 11,9± 0,9
anterior на 22 и 39% соответственно. ЭМГ-активность m. soleus и m. gastrocnemius medialis при ходьбе с пониженной нагрузкой на ОДА по сравнению с нормальной ходьбой существенно не изменяется.
Показатели максимальной амплитуды ЭМГ мышц бедра в отдельных фазах двойного шага представлены в таблице 2.
При постановке стопы на опору во время ходьбы со 100% весовой нагрузкой основную функцию выполняют разгибатели коленного сустава m. vastus lateralis и m. rectus femoris, так как вес тела переносится на опорную ногу. Это происходит одинаково в группах мужчин и женщин. При снижении весовой нагрузки происходит и снижение ЭМГ-активности данных мышечных групп, причем весьма значительное.
Амплитуда ЭМГ m. vastus lateralis в группе мужчин снижается одинаково на 75% при ходьбе-0,380 и при ходьбе-0,160. В группе женщин несколько меньшее изменение — на 64%, но также одинаково для двух типов ходьбы. Амплитуда ЭМГ m. rectus femoris при ходьбе в измененных условиях изменяется аналогичным образом — снижение ЭМГ-активности при выполнении ходьбы в условиях 38 и 16% весовой нагрузки. В остальных фазах и моментах двойного шага профиль ЭМГ m. vastus
lateralis и m. rectus femoris значительно не изменяется независимо от величины гравитационной нагрузки на ОДА. Что же касается амплитуды ЭМГ m. biceps femoris, то при постановке стопы на опору в начале цикла двойного шага она значительно не изменяется, несмотря на уменьшение весовой нагрузки на ОДА. Наоборот, в отличие от мышц передней поверхности бедра, для мышц задней поверхности характерно увеличение ЭМГ-активности при снижении весовой нагрузки. Для группы мужчин оно составляет 17% для ходьбы-0,380 и 8% для ходьбы-0,160. В женской группе увеличение амплитуды ЭМГ m. biceps femoris при ходьбе со сниженной весовой нагрузкой на ОДА достигало 6 и 40% для ходьбы-0,380 и ходьбы-0,160 соответственно. Во время отталкивания и при переносе ноги в фазе маха значительного изменения ЭМГ-активности m. biceps femoris между нормальной ходьбой и ходьбой со снижением весовой нагрузки выявлено в ходе исследования не было.
Таким образом, основываясь на результатах проведенного исследования, можно сделать следующие выводы. Изменение гравитационной (весовой) нагрузки на ОДА методом вертикального вывешивания существенно изменяет моторный паттерн ходьбы человека. Это в первую очередь проявляется в измене-
ниях профилей ЭМГ-активности мышц голени и бедра в цикле двойного шага. Указанные изменения наиболее ярко выраженными были для разгибателей голеностопного сустава т. soleus и т. gastrocnemius medialis, которые, по-видимому, являются ведущими мышечными группами при выполнении ходьбы в темпе 90 шагов в минуту. ЭМГ-активность именно этих мышц изменялась более всего при ходьбе с весовой нагрузкой 38 и 16% веса тела испытателей. Также при снижении весовой нагрузки изменяются и характеристики ЭМГ-активности сгибателя голеностопного сустава т. tibialis anterior, что проявляется в снижении амплитуды ЭМГ как в опорной фазе двойного шага при постановке стопы на опору, так и в безопорной фазе шага при переносе ноги. Основным отличием ЭМГ-активности мышц передней поверхности при нормальной ходьбе от ходьбы в условиях снижения весовой нагрузки является снижение степени участия т. vastus lateralis и т. rectus femoris. Это подтверждается значительным снижением амплитуды ЭМГ этих мышц в опорной фазе двойного шага. Справедливо предположить, что при увеличении темпа ходьбы или во время бега ЭМГ-активность разгибателей коленного сустава будет иной, а именно увеличится амплитуда при постановке стопы и во время отталкивания. Относительно мышц задней поверхности бедра нужно отметить следующее. Амплитуда ЭМГ т. biceps femoris в различных фазах шага значительно не изменяется, особенно в группе мужчин. Однако существенно изменяется профиль ЭМГ-активности т. biceps femoris. При нормальной ходьбе максимальная ЭМГ-активность т. biceps femoris после постановки стопы плавно снижается к середине опорной фазы. При ходьбе с весовой нагрузкой 38 и 16% веса тела ЭМГ-активность т. biceps femoris начинает снижаться только к завершению опорной фазы, выходя после постановки стопы на своеобразное плато, что наглядно показано на рисунке 3.
Практическая значимость исследования
Результаты проведенного исследования могут быть использованы в различных отраслях знаний. В частности, зная электромиографическую стоимость ходьбы с
заданными темпом и гравитационной нагрузкой на ОДА, можно рассчитать уровень энерготрат при нахождении космонавтов на лунной или марсианской поверхности. Помимо этого, зная отличия ходьбы при сниженной весовой нагрузке от ходьбы нормальной, можно целенаправленно вести разработку средств профилактики с учетом особенностей функционирования ОДА при полетах к другим небесным телам (Луне, Марсу).
Метод вертикального вывешивания может быть в полной мере использован в клинической практике и реабилитации пациентов с нарушениями в деятельности ОДА, например, вследствие травм или заболеваний (спортсмены, пациенты с ДЦП). Регулируя уровень весовой нагрузки и контролируя при этом деятельность мышечного аппарата нижних конечной методом электромиографии, можно повысить эффективность реабилитационных мероприятий и тем самым оптимизировать и ускорить процесс восстановления.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 16-34-60070.
Литература
1. Бернштейн Н.А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М.: Медицина, 1966.
2. История биомеханики в спорте и медицине / / Научно-медицинская фирма «Биософт». Режим доступа: http:// biosoftvideo.ru/history/ (дата обращения: 12.10.2016).
3. Маре Э.-Ж. Механика животного организма. Передвижение по Земле и по воздуху. СПб., 1875.
4. Шпаков A.B., Воронов А.В. Изучение влияния моделированной невесомости и лунной гравитации на биомеханические параметры ходьбы человека // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2016. Т. 102. № 10. С. 1253-1264.
5. Шпаков A.B., Воронов A.B., Фомина Е.В. и др. Сравнительный анализ эффектив-
ности различных режимов локомоторных тренировок в длительных космических полетах по данным биомеханических и электромиографических характеристик ходьбы // Физиология человека. 2013. № 39 (2). С. 60-69.
6. Birch I., Vernon W., Walker J., Young M. Terminology and forensic gait analysis // Science and Justice. 2015. No. 55. P. 279-284.
7. Gappelini G., Ivanenko Y.P., Poppele R.E., Lacquaniti F. Motor pattern in human walking and running // Journal of Neurophysiology. 2006. Vol. 95. P. 3426-3437.
информация_
Директор Панамериканской организации здравоохранения доктор Карисса Этьен посетила Федеральное медико-биологическое агентство
В ходе своего рабочего визита в Россию директор Панамериканской организации здравоохранения (ПАОЗ) Карисса Этьен посетила учреждения, находящиеся в ведении ФМБА России, в Москве и Санкт-Петербурге. Визит состоялся в рамках развития сотрудничества ПАОЗ и Федерального медико-биологического агентства.
Карисса Этьен прибыла в Россию с целью лично познакомиться с последними достижениями российского здравоохранения. Она отметила: «Российские технологии могут быть очень полезны в странах Латинской Америки и Карибского бассейна».
В состав делегации также вошли представитель ВОЗ/ПАОЗ в Никарагуа Сокорро Гросс Галиано, представитель ВОЗ/ПАОЗ на Кубе Кристиан Моралес Фуриманн и директор отдела внешних связей, партнерства и мобилизации ресурсов ПАОЗ АлбертоКлейман.
13 ноября делегацию ПАОЗ встречали в ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России, Центре крови ФМБА России и в Центральном аппарате ФМБА России. Ознакомившись с историей Федерального медико-биологического агентства и изучив современные разработки, представленные научно-исследовательскими институтами Агентства, д-р Карисса Этьен отметила важность деятельности Агентства для мирового сообщества, заверила в заинтересованности в сотрудничестве и взаимном обогащении знаниями и технологиями.
18 ноября делегация посетила Институт вакцин и сывороток ФМБА России в Санкт-Петербурге (СПбНИИВС ФМБА России). Члены делегации во главе с доктором Этьен осмотрели современное производство вакцины для профилактики гриппа.
Вакцина производства СПбНИИВС ФМБА России поставляется в страны Латинской Америки, в том числе первая поставка будет осуществлена по линии Возобновляемого фонда ПАОЗ. Также гости Северной столицы узнали об опыте трансфера российской технологии производства вакцины от гриппа в Никарагуа, где СПбНИИВС ФМБА России реализует совместный российско-никарагуанский проект строительства Латиноамериканского института биотехнологии MECHNIKOV.
Высокие гости из ПАОЗ отметили большой научный и производственный потенциал СПбНИИВС ФМБА России, широкие возможности для трансфера технологий и знаний на производственную площадку MECHNIKOV, а также высоко оценили планы Института по расширению линейки трансфера лекарственных препаратов и вакцин, в том числе в рамках сотрудничества с предприятиями ФМБА России на базе создаваемого Северо-западного биофармацевтического промышленного кластера.
8. Whittle M.W. Gait analysis: An introduction. Butterworth-Heinemann; Oxford; London, 2014.
Контакты:
Шпаков Алексей Васильевич,
заведующий отделом экспериментальной физиологии НИИ космической медицины ФНКЦ ФМБА России, кандидат биологических наук. Тел. раб.: (499) 193 64 11. E-mail: [email protected]
