Размещено на http://www.allbest.ru/

1. МЕТОДЫ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханика является сложной дисциплиной, она объединяет знания из разных областей науки. Поэтому методы биомеханики можно рассматривать с разных позиций: медицинской и механической. Исходя из медицинской точки зрения, методы биомеханики - это, в первую очередь, методы диагностики, которые включают в себя клинические тесты, нахождение механических свойств изучаемого объекта, визуализацию внутренних органов, инвазивные процедуры. Клинические тесты применяются медицинскими сотрудниками при первичном осмотре. К методам визуализации относятся магнитно-резонансная томография, рентгенография, видеорентгенография и т.д. Инвазивный метод диагностики - это процедура, при которой происходит проникновение через кожный покров с целью поставить диагноз. Наиболее часто этот метод применяют для электрофизиологического исследования сердца, двигательной функции позвоночника и генетической проверки эмбриона.

А с позиции механики - это моделирование и численные методы. Моделирование - это процесс создания модели для конкретной задачи. Он включает в себя выявление качественных особенностей изучаемого объекта, а также количественные характеристики, полученные из экспериментов.

Численные методы в биомеханике позволяют решать биомеханические задачи с позиции механики. Решение задачи сводится к выполнению конечного числа операций над числами. Среди таких методов можно выделить метод конечных элементов, метод конечных объемов, метод дискретного элемента и метод конечных разностей. Чаще всего для расчета задач в биомеханике применяется метод конечных элементов. Несмотря на сложную геометрию изучаемых объектов в биомеханике, он позволяет найти численное решение задачи. Суть метода в том, что область исследования разбивается на конечное число областей (элементов) и в каждой такой области задается аппроксимирующая функция, которая вне элемента равна нулю. При этом значения в узлах соседних элементов должны совпадать. Затем задается система линейных алгебраических уравнений. Решение системы ищется в узлах элементов.

На сегодняшний день существует множество программных пакетов, решающих задачи методом конечных элементов. Среди них можно выделить ANSYS, Abaqus, COMSOL Multiphysics, LS-DYNA, MSC. Nastran.

Паспорт специальности

Формула специальности:

Биомеханика - область естественных наук, изучающая на основе идей и методов механики механические свойства биологических объектов и механические явления в них на всех уровнях организации и в различных состояниях (включая периоды развития и увядания, при патологиях и т.п.).

Задачей биомеханики является также применение результатов подобных исследований для развития механики, биологии и медицины, в том числе для целей диагностики, для создания заменителей тканей и органов, для разработки методов влияния на процессы в живых объектах, для создания методов анализа и коррекции естественных, трудовых и спортивных движений, для разработки методов защиты человека от неблагоприятных воздействий механических факторов.

Области исследований:

1. Изучение механических свойств и структуры биологических макромолекул, клеток, биологических жидкостей, мягких и твердых тканей (биореология), отдельных органов и систем.

2. Изучение движения биологических жидкостей, тепло- и массопереноса, напряжений и деформаций в клетках, тканях и органах.

3. Изучение механики движения клетки и субклеточных структур (мембран, цитоскелета, цитоплазмы, ресничек и т.п.), включая митотические движения, фагоцитоз, везикулярный транспорт.

4. Изучение механики опорно-двигательной системы, плавания, полета и наземного движения животных, механики целенаправленных движений человека, движения совокупностей живых организмов, двигательной активности растений.

5. Изучение механических основ и проявлений регуляции (управления) в биологических объектах.

6. Разработка на основе методов механики средств для исследования свойств и явлений в живых системах, для направленного воздействия на них и их защиты от влияния внешних факторов.

7. Изучение механических основ и проявлений процессов роста, развития и адаптации биологических объектов.

8. Создание заменителей органов и тканей.

Биомеханика органов и систем

· Механика сердечно-сосудистой системы

· Механика опорно-двигательного аппарата

· Механика зубочелюстной системы

· Репродуктивная биомеханика

· Биомеханика выделительной системы

· Механика пищеварительного аппарата

· Биомеханика глаза

· Механика сердца

· др.

Биомеханика биологических тканей и жидкостей

· Механика костной ткани

· Механика мягких тканей

· Механика биологического роста тканей и развития

· Реология (реологические свойства жидких биологических сред; реологические свойства мягких и твердых тканей)

· др.

Молекулярная и клеточная биомеханика

· Механика биологических макромолекул (ДНК, РНК, белки)

· Механика клеток

· Механика клеточных мембран и субклеточных структур

· Механочувствительность клеток

· др.

Биомеханика движений, спортивная биомеханика, биомеханика экстремальных состояний

· Биомеханика трудовых и спортивных движений

· Движение человека

· Движение наземных животных

· Движение простейших

· Биомеханика мышц

· Реабилитационная биомеханика

· Биомеханика человека и животных в условиях космического полета и других экстремальных ситуаций

· др.

Управление движением в живых системах

· организация движения

Биомедицинские технологии

· Медицинское оборудование и устройства

· Диагностика и планирование оперативного вмешательства

· 3D моделирование органов и систем человека в режиме реального времени

· Виртуальная операция

· Искусственные органы и ткани

· Механические эксперименты в биомеханике

· др.

2. ЗАДАЧИ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханика - раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве (при движениях, дыхании, кровообращении).

Опираясь на данные анатомии и используя методы теоретической и прикладной механики, биомеханика исследует деформации структурных элементов тела, движение жидкостей и газов в живом организме, перемещения звеньев тела относительно друг друга и всего тела в пространстве, устойчивость и управляемость движений, и другие вопросы, доступные методам механики.

Биомеханика движений исследует структуру опорно-двигательного аппарата (характер подвижных сочленений, число степеней свободы), кинематику движений (скорость, ускорения, траектории), динамику движений - картину действующих сил. Чаще всего задача биомеханического исследования состоит в том, чтобы по кинематическим характеристикам движения определить картину действующих сил.

Современная биомеханика не ограничивается анализом движений. Сфера приложения биомеханики расширяется, и сейчас она включает в себя изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т.п.

Биомеханика дыхательного аппарата изучает кинематику и динамику дыхательных движений, сопротивление дыханию, обусловленное трением воздуха при движении по гортани, трахее и бронхам (неэластическое сопротивление), сопротивление, связанное с упругостью грудной клетки, эластичностью тканей легких, а также поверхностным натяжением жидкости, тонким слоем покрывающим аловеолы (эластическое сопротивление).

Биомеханика кровообращения изучает реологические свойства крови, сосудистой стенки и периваскулярных тканей, особенности тока крови в ветвящихся сосудах, в сосудах малого диаметра и капиллярах, гидродинамические явления в полостях сердца и магистральных сосудах, возникновение акустических колебаний в сердечно-сосудистой системе, вопросы теплообмена и др.

Начало исследований по биомеханике было положено Леонардо да Винчи. Изучая полет птиц и движения человека, работу скелетных мышц и сердца, механику дыхания и голосообразования, он считал, что функционирование ряда систем организма подчинено законам механики.

Значительное влияние на развитие биомеханики оказали труды Джованни Борелли (1608-1679г.) итальянского анатома и физиолога, в книге “О движении животных” он дает анализ различных движений тела при ходьбе, беге, плавании и позиций механики. Борелли впервые определил положение центра тяжести тела человека. Экспериментальное исследование ходьбы было проведено братьями Вебер (E. и W. Weber, 1836 г.) и т.д.

В России начало изучения вопросов биомеханики положено работами И.М. Сеченова и П.Ф. Лесгафта. В “Очерках рабочих движений человека” (1901 г.) И.М. Сеченов дал сводку важнейших биомеханических характеристик движений человека. Кроме того следует отметить работы А.А. Ухтомского (“Физиология двигательного аппарата” - 1927 г.), Н.В. Парийского. Значительный вклад в развитие биомеханики внёс Н.А. Бернштейн, значительно усовершенствовавший методы регистрации и анализа движений и др.

Методы биомеханических исследований включают различные приемы регистрации положения и движения тела, измерений силы групп мышц, моментов инерции звеньев тела и др. Для изучения положения тела существуют приборы, позволяющие определять положение общего центра тяжести по отношению к поверхности опоры, величину опорного контура, степень устойчивости тела в пространстве. Для регистрации движений используются различные варианты световой записи.

Циклография заключается в регистрации на неподвижной фотопластинке нескольких избранных точек движущегося тела. Для регистрации движений, траектории которых могут накладываться друг на друга (например, циклические движения), применяют кимоциклографию - регистрацию движений на равномерно движущейся пленке. Система обработки циклограмм (циклограмметрия) позволяет по циклограмме определить амплитуду движения, скорости и ускорения. Большое распространение получили методы электрической регистрации биомеханических параметров движения. С помощью различных датчиков можно непосредственно регистрировать кривые движения в суставах, составляющие опорных реакций и точку приложения их равнодействующей, линейные и угловые скорости и ускорения и др.

При изучении рабочих движений человека используют специальные насадки к рабочему инструменту с датчиками, позволяющими регистрировать величину прилагаемых мышечных моментов в различных плоскостях, силу удара и т.п. При электрической регистрации параметров движения возможен их непосредственный ввод в ЭВМ. Это даёт возможность получения в реальном масштабе времени таких важнейших показателей движения, как моменты сил, действующих в суставе, работа и мощность. биомеханика медицинский клинический кинезиологический

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В КЛИНИЧЕСКОЙ БИОМЕХАНИКЕ

Классификация. В развитии методов исследования биомеханики нашли отражение ее синтетический характер, тесные связи со многими смежными науками (анатомия, физиология, теоретическая механика, кибернетика и т. д.). Еще на заре научной медицины в работах Аристотеля и Галена появились первые описания картины движения животных и человека. Но лишь в последние десятилетия, в значительной мере благодаря успехам биомеханики, физиологии, рентгено-анатомии, клинической медицины, электроники, появились возможности объективной регистрации разнообразных проявлений двигательной активности человека.

В настоящее время биомеханика обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма.

Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Она обеспечивает объективную оценку состояния опорно-двигательного аппарата и может быть использована для дифференциальной диагностики, обоснования методов восстановительного лечения, создания предпосылок для разработки средств протезной техники. Поэтому биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.

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

I. Соматометрические:

1) антропометрия,

2) фотограмметрия,

3) телерентгенография.

II. Кннезиологическне:

1) оптические.

2) потенциометрия.

3) элсктроподография, 1) тензометрия,

5) ихнографня.

III. Клинико-физиологические:

1) косвенная калориметрия,

2) электромиографня,

3) электроэнцефалография,

4) другие методы функциональной диагностики.

4. СОМАТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

При клиническом и биомеханическом обследовании используются некоторые приемы антропометрии с целью получения информации о поло-возрастных особенностях испытуемых об особенностях строения опорно-двигательного аппарата в норме и при нарушении его целостности. Обычно перед проведением специальных биомеханических исследований измеряют рост пациента стоя и сидя, длину конечностей, амплитуду движений в крупных суставах, определяют массу его тела.

При помощи отвесов производят зарисовку диаграммы стояния - проекции на горизонтальную плоскость осей суставов нижних конечностей и таза. Это дает возможность составить представление об архитектонике нижних конечностей при удобном стоянии, определить величину разворота осей суставов в проекции на горизонтальную плоскость, угол разворота стоп, расстояние между внутренними поверхностями ног па различных уровнях и т. д.

Более точные количественные сведения о строении (схеме) нижней конечности можно получить с помощью торсиометрии, позволяющей проследить изменение архитектоники органов опоры и движения в постнатальном онтогенезе. Известно, что в процессе роста ребенка и формирования опорно-двигательного аппарата происходят изменения взаиморасположения осей суставов конечностей. В работах Л. А. Алякина (1966), и других отмечалось, что по мере роста ребенка происходит торсия костей бедра и голени: бедро ротируется внутрь, голень - наружу. Механическая нагрузка при ходьбе обусловливает, наряду с вертикальными, возникновение продольных, поперечных и крутящих компонентов реакции опоры. Последние, по-видимому, и определяют эффект торсии кости. » Установлено, что торсия голени достигает величины 15-22° с пределами от 6 до 24°. Измерения производились на анатомических препаратах, по фотограммам, специальными угломерами и торсиометрическими устройствами.

При деформации стоп происходит изменение соотношений осей голеностопного и колейного суставов. Так, избыточную ротацию голени внутрь можно рассматривать как следствие плоскостопия. Наоборот, при варусных деформациях стоп фронтальная ось голеностопного сустава разворачивается наружу.

С целью изучения пространственного положения осей голеностопного и коленного суставов при нагруженной конечности (стоя) нами было разработано и использовано устройство, позволяющее определить разворот воображаемых осей указанных суставов в 3 плоскостях, наклон голени в сагиттальной и фронтальной плоскостях, вычислить торсию голени.

Устройство имеет основание с регулируемыми опорами, на котором шарнирно укреплена состоящая из двух параллельных стержней с неснными на их боковые поверхности.

По штанге перемещаются 2 каретки, через которые проходят горизонтальные стержни с линейными шкалами. На лицевой стороне кареток укреплены шкалы углов поворота этих стержней вокруг продольных осей. На свободных концах стержней в специальных обоймах перемещаются мерные дуги с указательными винтами. Угол поворота дуги вокруг вертикальной оси определяется по шкале. Положение кареток, горизонтальных стержней и мерных дуг фиксируется прижимными винтами.

После подготовки прибора к работе (вывод всех подвижных частей в среднее положение) испытуемый обеими ногами становится на основание спиной к штанге. При этом стопы устанавливаются на ширине плеч таким образом, чтобы продольная ось одной из них совпадала с осевой линией, нанесенной на основании устройства. Вертикальная штанга прибора наклоняется во фронтальной плоскости соответственно углу наклона голени. Мерные дуги подводят на уровень соответствующих суставов и указательными винтами ориентируют на точки, соответствующие концам воображаемых осей коленного и голеностопного суставов. По мерным шкалам определяют утлы наклона осей этих суставов во фронтальной и горизонтальной плоскостях и наклон голени во фронтальной. Наклон голени в сагиттальной плоскости вычисляется, исходя из данных о расстоянии между центрами осей суставов и их удаленности от вертикальной штанги. Таким образом, методика торсиометрии позволяет определить анатомические изменения, возникающие в скелете нижней конечности в связи с деформацией стоп.

К антропометрическим методам сбора и анализа информации должен быть отнесен и способ изучения схемы построения опорно-двигательного аппарата в виде так называемой фотограмметрии. Кратко техника фотограмметрии состоит в следующем: обследуемому предлагают принять естественную, наиболее привычную, удобную позу стояния. Перед ним устанавливают кадровую рамку с сантиметровыми делениями по горизонтальным и одной из вертикальных сторон. Через середину рамки натянута нить, служащая отвесом. Фотографируют и для графического анализа изготавливают фотоснимки размером 13X18 см, на которых измеряют расстояние в сантиметрах между передне-верхними остями таза, наклон бедер по анатомическим осям относительно вертикали, расстояние между центрами коленных суставов, наклон голеней по анатомическим осям, угол физиологического вальгуса голеней, расстояние между центрами опоры стоп. Этот метод дает возможность определить возрастные особенности схемы построения опорно-двигательного аппарата в норме и при различных патологических состояниях.

Для изучения функциональной анатомии отдельных сегментов опорно-двигательного аппарата с успехом может применяться обычная рентгенография. Изучение схемы построения опорно-двигательного аппарата может проводиться и с помощью метода тотальной телерентгенографии. Метод прост; за исключением кассеты 60X120 см, изготавливаемой из картона и плотной непрозрачной ткани, не требуется никакого дополнительного оборудования. Рентгенография (одномоментная) скелета опорно-двигательного аппарата обследуемого производится с расстояния 225-240 см. Обследуемый стоит в удобном, естественном для него положении на полу непосредственно перед кассетой. Рентгеновская трубка опускается по штативу так, чтобы центральный луч проецировался на середину кассеты, в которой в специальные секции вкладываются 6 рентгеновских пленок 30X40 см. Перед обследуемым для облегчения последующего анализа рентгенограммы опускается металлический отвес в качестве «линии отсчета». Получаемые снимки (60X120 см) дают практически неискаженное изображение объекта.

Таким образом, соматометрические методы позволяют проводить функционально-анатомические исследования, необходимые для характеристики строения опорно-двигательного аппарата.

5. КИНЕЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

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

Наиболее достоверные сведения о движении могут быть получены с помощью оптических методов, которые обеспечивают комплексную регистрацию любого количества точек тела человека и внешней обстановки относительно пространственно-временной координатной сетки и дают информацию о кинематике исследуемых точек в форме, удобной для математического анализа. Координаты же, как известно, есть тот материал, из анализа которого может быть почерпнуто максимальное количество сведений о протекании заснятого движения.

Начало систематическому экспериментальному изучению движений можно отнести к 1839 г., т. е. ко времени изобретения Л. Дагером процесса фотографирования как оптико-химического способа получения изображений материальных пространственных объектов. С этого момента идет бурный процесс его внедрения в технику регистрации, а следовательно, и в технику изучения движений человека. Совершенствуются фотоматериалы, фотоаппаратура, ее оптика, процессы обработки фотоснимков, разрабатываются методы автоматизации фотографии, что привело в конечном счете к кинематографии как средству фиксации большинства форм материального движения.

Оптические методы регистрации позволяют учитывать 3 важнейшие переменные, необходимые для понимания двигательного процесса: времени, пространства и комплексности. Фото-кино регистрацию сделали одним из основных методов научного познания такие его свойства, как: 1) объективность; 2) способность давать геометрически точные, конформные объекту изображения; 3) возможность получать информацию в форме, удойной для математического анализа; 4) документальная хронология процессов; 5) возможность в практически неограниченных пределах изменять частоту фиксации кадров или, наоборот, стабилизировать ее (возможность разделения скоростей); 6) полное отсутствие электромеханической связи между объектом регистрации и регистрирующим прибором (киносъемочным аппаратом); 7) возможность одновременной регистрации движения множества точек (переменная комплексности) и внешней обстановки; 8) возможность преобразования изображений оптическими приборами с последующим перефотографированием и геометрическим анализом; 9) возможность массового размножения изображений и использования их в печати; 10) возможность реконструкции объекта по изображению.

Наиболее простым и часто применяемым на практике видом киносъемки является фотограмметрия. Эта съемка представляет собой регистрацию движений человека и объектов окружающей среды в плоскости, перпендикулярной оптической оси аппарата. При этом аппарат устанавливается так, чтобы в его поле зрения находилось все, что будет подвергнуто изучению и последующему анализу. Полученные с помощью оптических методов регистрации экспериментальные данные (изо информация) подвергаются математической обработке.

Недостатки фотограмметрического метода регистрации очевидны. Известно, что движение туловища и конечностей человека при выполнении различной степени сложности производственных операций совершаются по достаточно сложным пространственным кривым. Фото- или кинокадр показывает траекторию движения в виде перспективной проекции, которая зависит от выбора точки (элемента ориентирования), с которой ведется съемка. Поэтому изображение кривой движения, точно соответствующее его действительной форме, получается на кадре только в том случае, когда плоскость, в которой совершается движение, и плоскость светочувствительного материала будут взаимно параллельны. Движения же верхних и нижних конечностей человека осуществляются в пространстве по кривым, форма которых может быть зафиксирована путем одновременной проекции на 2 плоскости, т. е. путем съемки одновременно с 2 точек. Такая съемка называется стерсофотограмметрической.

В зависимости от взаимного положения центров проектирования (объективов аппаратов) и центральных лучей (главных оптических осей) в каждый момент времени стереофотограмметрия реализуется рядом способов съемки (схема 1).

В качестве датчиков («светящихся точек») для получения кинематических характеристик движений конечностей "применяют метки или электрические лампочки, которые укрепляют на исследуемых суставах. Снаряжение испытуемого почти невесомо, поэтому оно не вносит никаких изменений в структуру двигательного образа.

Отметим, что конвергентная стереофотограмметрическая съемка и зеркальная циклограмметрия тождественны. Действительно, зеркальная циклограмметрическая съемка под углом и (угол между главной оптической осью киноаппарата и плоскостью зеркала -угол съемки) есть не что иное, как съемка двумя аппаратами, оптические оси которых конвергируют под углом 2а.

При стереофотограмметрической съемке величины, характеризующие положение объекта в пространстве, могут быть измерены па кадре при помощи стереомикрометра или стереокомпаратора. Два перекрывающихся снимка составляют стереопару, а сам стереофотограмметрический метод базируется в основном на методе прямой засечки. Измерение этих снимков, производимое совместно и основанное на принципе стереоскопического зрения, сводится к определению абсцисс и ординат изображений точек и линейных горизонтальных параллаксов. Вычисление пространственных координат производится по фор-мулам математической зависимости между пространственными координатами помещения (в случае, если съемка производится в камеральных условиях) и координатами перспективных изображений. Кроме аналитических методов, в настоящее время нашли широкое распространение различные номографические приемы, основанные па известных положениях синтетической геометрии.

При оптической регистрации движений человека получаются снимки, которые можно рассматривать как плоскую стереоскопическую модель части пространства, заключенного в пределах угла изображения. Пользуясь такой моделью, можно изучать различные метрические и позиционные характеристики исходного объекта. Снимок, таким образом, является геометрической моделью, в которой закодированы все сведения о кинематике исследуемых точек. Ясно, что какие бы методы ни применялись для расчетов, связанных с обработкой экспериментальных данных, точность результатов зависит в конечном счете от качества изображения, его четкости, от методов измерения, т. с. способов получения фиксированных геометрических точек (светящихся лампочек, укрепленных на суставах или шарнирах исследуемой модели конечности или в любых других точках тела человека, или меток). Поэтому использование аналитических методов при решении различных метрических задач на геометрической модели не дает присущей им высокой точности, так как погрешности одинакового порядка с графическими заложены в самом процессе измерения изображений.

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

Если номограмму использовать в качестве насадки типа фильтра и установить на объективе аппарата, то съемка в этом случае осуществляется как бы через сетку, причем точность регистрации значительно повышается.

Действительно, при обработке кинопленки неизбежна некоторая деформация ее, а соответственно и изображения. Причиной этого являются «мокрые» фотографические процессы: проявление, фиксирование, промывка и последующая сушка. Вредное влияние деформаций на точность производимых по циклограмме измерений полностью исключается путем производства съемки на фоне номограммы, которая не теряет способности отражать данную функциональную зависимость при фото искажениях негатива, являющихся частными случаями проектных преобразований.

Проанализировав первый кадр, переходят к обработке следующего и т. д. «Просмотрев» таким образом всю пленку, находят численные значения действительных координат всех фиксированных точек. Кадры второй пленки обрабатываются совершенно аналогично. Разница состоит лишь в том, что абсцисса фиксированных точек помечается аппликатой. Ордината же определяется один раз; однако возможность ее повторного определения может быть использована для контроля, что повышает надежность производимых вычислительных операций. Полученные таким образом при обработке 2 кадров с одной и той же нумерацией на пленках действительные координаты вполне определяют положение любой фиксированной точки на конечности человека.

К существенным недостаткам перечисленных стереофотограмметрических методов можно отнести: 1) необходимость в синхронном пуске и синфазной работе обоих аппаратов; 2) неточность определения третьей координаты даже при съемке с расширенной оптической базой; 3) установка аппаратов и их взаимное ориентирование должны производиться с помощью точных приборов.

Особое место в группе стереофотограмметрических методов регистрации с кадровой съемкой занимает качественно отличная от них и лишенная в значительной степени указанных недостатков стереофотограмметрия с мнимым базисом. Напомним, что сущность этого метода регистрации заключается в возможности съемки одним аппаратом одновременно любой фиксированной точки на теле испытуемого и отражения этой точки в зеркале. Последнее устанавливается под некоторым углом к главной оптической оси аппарата. Существенным преимуществом этого способа получения модели по сравнению с рассмотренным выше случаем съемки 2 аппаратами является наличие только одного из них. В связи с этим значительно упрощается весь процесс организации съемки и повышается точность регистрации.

Для получения стереоскопических изображений может использоваться обычный объективный аппарат со специальной насадкой. В этом случае, как и при зеркальной циклограмметрии, разделение изображений стереопары производится при помощи зеркал наружного серебрения или призмы, поэтому насадки на аппарат бывают зеркальными или призменными. Последние встречаются в практике значительно более часто. Оптическая часть насадки состоит из 2 одинаковых симметрично расположенных призм, при помощи которых на пленке воспроизводится 2 изображения снимаемого объекта с 2 точек.

Номограмму, с помощью которой осуществляют обработку изо информации, конструируют на основании законов геометрической оптики, отражая тем самым эту сторону изучаемого процесса. Семейство линий, образующих номограмму, повторяет в определенном масштабе ход лучей, идущих от центра объектива фото- или киноаппарата. Считывание координат с кадра осуществляется при помощи номограммы.

В процессе биомеханических исследований движений существенный интерес представляет получение информации непосредственно во время эксперимента. Таким достоинством обладают методы телевизионного фотографирования. Они позволяют получать модель движения, используя для этого видеомагнитофоны типа «Кадр-1», «Кадр-2» или телевизионную систему, в которой в качестве передающей трубки используется видикон с регулируемой памятью (ВПР).

Важным достоинством телевизионного фотографирования является его оперативность. Видеомагнитофонные системы позволяют исследовать кинематические характеристики опорно-двигательного аппарата человека путем записи магнитофильмов и ИХ воспроизведения непосредственно в процессе эксперимента. Другим достоинством является возможность просмотра и изучения остановленного кадра с целью получения, например, позиционных характеристик конечностей. Последнее имеет место в системах с использованием ВРП, экономическая эффективность н надежность которых в настоящее время достаточно высоки.

К специализированным оптическим методам исследования относится циклоподограмметрия, позволяющая получить изображение в сагиттальной плоскости и снизу при ходьбе испытуемого, т. е. отпечатки стоп. Такая съемка осуществляется одним аппаратом при ходьбе испытуемого по прозрачной (стеклянной) дорожке, под которой установлено зеркало под углом 45° к оптической оси аппарата. Этот способ регистрации движения дает возможность изучать взаимосвязь между особенностями процесса переката и кинематикой нижних конечностей при различных деформациях стоп.

Таким образом, во всех перечисленных видах стереоскопии на «выходе» получается стереоскопическая модель двигательного образа.

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

При использовании электрических методов регистрации неэлектрических величин (каковыми являются кинематические и динамические составляющие движения) в практике биомеханических исследований четко определились 2 основных принципа методических решений этого вопроса: 1) наличие непосредственной связи между испытуемым и стационарной регистрирующей аппаратурой; 2) отсутствие указанной связи. Первый принцип получил за последнее время наибольшее распространение.

Измерение и регистрация кинематических составляющих движения осуществляются с помощью линейных потенциометрических датчиков 2 типов: с входной функцией в виде углового и линейного механического перемещения. Потенциометрические датчики преобразуют функцию механического перемещения в аналоговый электрический сигнал, который затем регистрируется в соответствующем масштабе.

Приведены основные принципиальные электрические схемы включения иотенциометрических датчиков, которые используются в биомеханических исследованиях. Чувствительность у схемы (в) в 2 раза выше, чем у схемы (г). Схемы включении (а) и (б) неудобны тем, что требуют установки начального положения потенциометра непосредственно на обследуемом объекте; при использовании схемы включения датчика (г) установка начального положения производится на пульте.

Для измерений функций угла применяются однооборотные потенциометры типа ППЗ, ПЛ, ПТП. Для измерения функций линейного перемещения применяются потенциометры реостатной конструкции, которые изготавливаются с учетом конкретных условий исследования. Достоинством иотенциометрических датчиков являются простота, малая масса и габариты, небольшая стоимость и способность отрабатывать аналоговую функцию непосредственно в напряжение постоянного тока без преобразователей. К недостаткам следует отнести наличие аддитивной помехи при скольжении подвижного контакта и ограниченную разрешающую способность.

Разработаны комплексные методики регистрации функций угловых перемещений в сочленениях верхних и нижних конечностей в норме и при пользовании протезами. Датчик угла конструктивно представляет собой корпус переменного резистора типа ППЗ-43 1 км диаметром 23 мм и высотой 15 мм. К потенциометру прикреплены 2 металлические изогнутые планки (бранщи), одна из которых жестко соединена с корпусом резистора, а другая -с вращающейся осью резистора при помощи втулки, имеющей винт. Стопорный винт позволяет устанавливать начальное положение планок друг относительно друга. Во время обследования внимание обращается на сохранение осей датчиков с воображаемыми осями суставов.

Масштабирование функций угла осуществляется с помощью отдельного потенциометрнческого датчика, снабженного измерительным лимбом. Тип потенциометра в масштабирующем датчике аналогичен тому, который используется в рабочем датчике угла. Установка необходимого масштаба осуществляется соответствующими переключениями в магазине сопротивлений и шунтов. Аналоговые электрические сигналы с датчиков углов подаются на светолучевой осциллограф, где регистрируются на фотографической ленте.

Угол сгибания в локтевом суставе моделируется с помощью потенциометрического датчика угла, который крепится на исследуемом сочленении с помощью металлических бранш и манжет из Велкро. Измерение и регистрация углового перемещения в лучезапястном суставе осуществляется потенциометрическим датчиком угла, который позволяет измерять 2 функции - сгибание-разгибание и приведение-отведение кисти. В качестве датчиков угла используют 2 переменных резистора типа ППЗ-43 1 кОм, оси вращения которых расположены взаимно перпендикулярно: ось первого совмещается с сагиттальной осью, а ось второго - с фронтальной. Изогнутые металлические пластины соединены с потенциометрами и крепятся на кисти и предплечье посредством манжет из Велкро.

Механограмма кисти представляет собой зарегистрированные угловые функции сгибания-разгибания большого и указательного пальцев относительно пясти. Крепление датчика на большом и указательном пальцах и пясти осуществляется с помощью металлических бранш и манжет из Велкро.

Функция угла ротации предплечья с кистью регистрируется по методике, которая также используется для измерения ротации плеча. Приближенное измерение угла ротации осуществляется с помощью гибкого валика, передающего угловое перемещение на ось измерительного потенциометра. Потенциометрический датчик закрепляется на 1-3 см дистальнее локтевого сочленения, конец гибкого валика фиксируется на кисти.

Как было отмечено выше, все датчики угла, применяющиеся в комплексной методике, включаются по мостовой схеме. Балансирующие плечи мостов смонтированы в пульте, туда же подводится питание (напряжение постоянного тока 12 В).

Для измерений функций углового перемещения в плюсне-фаланговых сочленениях применяется устройство, которое позволяет регистрировать изучаемое движение, не создавая помех ходьбе. Кинематическая схема измерения подвижности в первом плюснефаланговом сочленении приведена.

Устройство состоит из металлических бранш, которые образуют измерительный параллелограмм ABCD. Для обеспечения , подвижности браншн соединяются между собой с помощью шарикоподшипников. Сторона AD параллелограмма жестко крепится к обуви таким образом, что ось, проходящая через вершину D, совпадает с осью движения в первом плюснефаланговом сочленении. Датчик крепится к точке В параллелограмма, располагаясь над носком стопы. При этом не создается помеха при ходьбе. В качестве датчика используется переменный резистор типа ППЗ-43 1 кОм, который крепится к брап-шам вышеописанным способом.

Моделирование функции угла в первом плюснефаланговом сочленении производится с помощью бранш AD и DC, одна из которых жестко крепится с помощью винтов к надподошвен-ной части обуви в переднем отделе стопы, а вторая к своду стопы с помощью манжеты из Велкро. В соответствии со свойствами измерительного параллелограмма функция углового перемещения в плюспефаланговом сочленении повторяется в точке В, где в виде электрического аналога моделируется датчиком углового перемещения, который включается по схеме, приведенной выше.

Для измерения супинационно-пронационного движений стопы используется устройство, позволяющее регистрировать их без ограничения подвижности в голеностопном суставе. Выделение супинационно-пронационного движения в стопе относительно анатомической оси вращения подтаранного сустава вызывает значительные технические трудности по следующим причинам: ограниченность места установки датчиков, незначительная величина углового перемещения указанных функции (5-10°), наложение движения голеностопного сустава в сагиттальной плоскости относительно оси OY на движение подтаранного сустава, так как они происходят одновременно.

Кинематическая схема измерения супинационно-пронацнонного движения стопы при ходьбе в обуви.

Вертикальная ось OZ - ось симметрии голени, ось ОХ - горизонтальная ось в сагиттальной плоскости, проходящая через проекцию точки скрещивания анатомической оси подтаранного и пяточнокубопндного суставов на сагиттальную плоскость.

Измерение угла, характеризующего движения стоны, производится относительно оси OZ в точке С датчиком угла, который жестко крепится на ботинке. Функция угла вырабатывается в процессе ходьбы за счет изменения положения штока ВС, который, как предполагается, в процессе ходьбы остается параллельным оси OZ. Изгибающий момент от движения стопы относительно оси OiYl приложенный к оси ВС, гасится шарниром в точке С|, а относительно оси ОХ, приложенный к оси ВС,-в точке В. Направляющая кулиса штока ВС жестко крепится в точке В к голени.

Таким образом, измерение угла производится с помощью измерительного параллелограмма АВСО. С целью увеличения чувствительности в качестве датчика угла используется сдвоенный потенциометр типа ППЗ-44-470, который включается по схеме.

Функции угловых перемещений в крупных суставах нижних конечностей при ходьбе регистрируются одновременно с динамическими параметрами, что является составной частью комплексной методики исследования. Датчики углов объединены в 2 группы по 5 датчиков в каждой. Одна группа вместе со специально оборудованным ботинком предназначена для левой конечности, другая - для правой. Датчики каждой группы соединены гибкими проводами для подвода к ним питания п для передачи электрического аналогового сигнала на регистрирующий прибор.

Задаче получения угловых скоростей и ускорений в суставах верхних и нижних конечностей посвящено значительное количество работ. В настоящее время, наряду с хорошо разработанными графическими и аналитическими методами дифференцирования кинезнологических функций, широкое применение нашли аппаратурные, с помощью которых представляется возможной реализация математических моделей движения, а также изучение его составляющих с целью разработки биомеханических предпосылок для конструирования протезно-ортопедических изделий.

Устройство для дифференцирования кинезнологических функций, состоит из 4 функциональных узлов: узла отработки аналогового электрического сигнала с масштабирующим и балансирующим приспособлениями, узла демпфирования, узлов первой и второй производных.

Функция межзвенного угла обследуемого сустава вырабатывается переменным родиевым резистором типа ПТП-11, который в данном случае используется как датчик угла. Последний включается по мостовой схеме и крепится на обследуемом суставе с помощью манжет из Велкро и браншсй, что широко используется в практике биомеханических исследований.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Аналоговый электрический сигнал с датчика угла поступает на узел демпфирования, после чего следует на регистрирующий гальванометр угла а и узел первой производной. С узла первой производной продифференцированный сигнал углового перемещения поступает на регистрирующий гальванометр угловой скорости а и на узел второй производной, после чего вторично продифференцированный сигнал регистрируется гальванометром углового ускорения а. Масштабирование угла а осуществляется угловым лимбом, а производных а и а - выполняется посредством вспомогательного инфра низко частотного генератора. Узел демпфирования представляет собой симметричный активный RC-фильтр низких частот с полосой пропускания 0-12 Гц. Узлы первой и второй производных - это 2 идентичных устройства, представляющие собой схемы дифференцирования с использованием RC-цепи и УПТ (усилителя постоянного тока) дифференциального типа.

Имеется также и второе направление в группе методов регистрации кинематических составляющих движения, которое характеризуется отсутствием непосредственной связи между испытуемым и стационарной измерительной аппаратурой. Следует отметить, что регистрация движений конечностей в этом случае может осуществляться тремя путями. Во-первых, возможно органолептическое наблюдение. В этом случае устройство, находящееся на испытуемом, подает сигналы, допускающие, например, визуальную индикацию. Таким способом можно регистрировать число взмахов верхней конечности при ходьбе: замыкаются контакты и загораются электрические лампочки на шлеме испытуемого. Заметим, что недостатком этого метода является чрезвычайная ограниченность объема информации.

Во-вторых, возможно использование портативного регистратора. В этом случае на испытуемом находятся не только датчики, но и регистрирующий прибор, который фиксирует на пленке (фотобумаге) изучаемые параметры. Этот метод регистрации предъявляет жесткие требования к аппаратуре, весовые и габаритные характеристики которой не должны изменять внешнюю картину движения. Кроме того, необходимо обеспечить высокую надежность работы приборов, учитывая возможность изменения их положения на испытуемом, тряску, толчки.

Третьим, наиболее универсальным, по в то же время и наиболее сложным видом электрической регистрации является радиотелеметрия (биотелеметрия), позволяющая регистрировать биомеханические параметры на расстоянии посредством радиоканала. Радиотелеметрия обеспечивает возможность получения объективной информации по ходу выполнения той или иной функции в виде каких-либо радиосигналов. Основным преимуществом этого метода регистрации является дистанционпость. Применение радиотелеметрии исключает непосредственную близость экспериментатора и использование проводов или шлангов, «привязывающих» испытуемого к регистрирующей аппаратуре. Это, в конечном счете, устраняет некоторые факторы, которые могут существенно искажать весь «ансамбль физиологических реакций».

В случае одноканальной регистрации могут применяться редуцированные схемы. В настоящее время в радиотелеметрии для регистрации нескольких параметров по радио используют многоканальные системы передачи. Наиболее широкое распространение получили системы со следующим разделением каналов: 1) по частоте (использование под-несущих частот); 2) по времени (использование коммутации).

Рассмотрим первый наиболее распространенный на практике случай. При частотном разделении каналов измеряемые величины преобразуются в электрические напряжения различных частот, называемых поднесущими. Сигналы на подпесущих частотах модулируются по амплитуде, фазе или частоте под воздействием напряжений, поступающих от датчиков. Разделение сигналов на приемной стороне производят с помощью фильтров, настроенных на частоты отдельных поднесущих. При указанном разделении каналов передача всех сигналов по одной радиолинии происходит одновременно.

В последнее время создано несколько радиотелеметрических систем, осуществляющих комплексную регистрацию параметров движений и физиологических функций. Так, в практике нашла применение система «Спорт», включающая в себя блок датчиков, передающее устройство с автономным источником питания, блок приемного устройства с соответствующими усилительно-преобразовательными каналами и регистратором, в качестве которого используется 14-канальиый шлейфный осциллограф типа Н-700 или любой другой регистратор. Датчики и р передающее устройство расположены на теле испытуемого, а остальное оборудование является стационарным.

Принцип действия системы заключается в преобразовании датчиками физиологических и биомеханических параметров в электрические сигналы, которые воздействуют на параметры поднесущей частоты генератора передатчика. Модулированная сигналами датчиков поднесущая частота воздействует па не-сущую частоту генератора передатчика, содержащего ряд типовых устройств, а также преобразователь сигналов датчиков механограмм. Приемное устройство, кроме типовых блоков, содержит блок контрольных осциллографов, преобразователь сигналов механограмм, шлейфный осциллограф, а также синхронизатор для разделения сигналов по каналам их регистрации.

Следует подчеркнуть, что важными и в настоящее время трудно устранимыми недостатками радиотелеметрии являются жесткие требования, предъявляемые к ней. К последним нужно отнести высокую надежность системы (устойчивость к помехам, которые вызывают сами движения верхних конечностей, а также использование радиоканала) и миниатюризацию аппаратуры, находящейся на испытуемом (масса, габариты).

Известно, что для регистрации какой-либо функции организма электрическими методами прежде всего нужно превратить изучаемый процесс в электрический сигнал. Это достигается с помощью специальных датчиков, при выборе которых для проводимых биомеханических и физиологических исследований следует обратить внимание на их основные рабочие характеристики. К последним относят чувствительность и частоту собственных колебаний, которая должна в 8-10 раз превышать частоту регистрируемого процесса. Немаловажное значение имеют прочность и точностная надежность датчика.

В заключение можно выделить положительные и отрицательные стороны электрических методов регистрации двигательной функции. К первым следует отнести прежде всего возможность преобразования в электрическую энергию любых других видов энергии. С помощью электрических методов возможна регистрация процессов на расстоянии от объекта исследования, а также синхронная запись на одной и той же осциллографической ленте (кинопленке) различных по своим свойствам и происхождению процессов. Следует обратить внимание па высокую чувствительность и малую инерционность измерительной и регистрирующей аппаратуры.

К недостаткам существующих электрических методов регистрации следует отнести прежде всего ограниченность получаемой информации в отношении как числа регистрируемых параметров, так и их кинематических характеристик. Нужно отметить также и сложность тарировки и обработки экспериментальных данных.

Кроме кинематических параметров, при изучении двигательного стереотипа представляет интерес регистрация временных соотношений процесса переката при ходьбе.

Известно, что ходьба представляет собой циклический акт, в котором периодически повторяются одни и те же фазы. Чередование отдельных фаз шага образует устойчивый двигательный стереотип, характеризующийся определенными временными соотношениями. Изучение элементов двигательного стереотипа, в частности переката, необходимо для характеристики нарушений функции опорно-двигательного аппарата, а также для оценки результатов ортопедического лечения.

Наиболее информативным методом изучения функции переката является метод подографии - регистрации времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе. Обычно для этого пользуются различными электроконтактными методиками. Полученные с их помощью данные в значительной степени характеризуют особенности переката, но имеют погрешности за счет недостаточной эластичности специальной обуви или различной степени упругости подошвы обычной обуви.