Методы и приборы для измерения биомеханических характеристик

Механическая работа человека. Эргометрия.

Человек с помощью мышц, составляющих активную часть опорно-двигательного аппарата, совершает механическую работу, которая обусловлена силой мышц и развиваемой ими мощностью. Под действием импульсов, идущих из центральной нервной системы, мышцы сокращаются, т.е. уменьшают свою длину, и при этом развивают определенную силу, которая в точках прикрепления передается костям скелета, вызывая их соответствующее движение. Под действием такого изотонического сокращения совершается внешняя работа по перемещению каких-либо тел.

При изометрическом сокращении внешняя работа по перемещению каких-либо тел не совершается. Физиологически мышца при этом находится в рабочем (сокращенном) состоянии и потребляет из организма необходимую энергию, которая переходит в тепло, выделяющееся в мышце. Изометрические сокращения обеспечивают возможность удерживать предметы и орудия труда и поэтому также необходимы в деятельности человека, как и изотонические.сокращения. Сила, развиваемая мышцей при максимальном сокращении, прямо пропорциональна количеству мышечных волокон, входящих в состав данной мышцы. Кроме того, она зависит от ряда физиологических условий (возраст, тренировка, питание, степень утомления, настроение и т.п.).

При определенных условиях мышцы человека способны на большие перегрузки (особенно кратковременные). Так при кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. При ходьбе человек совершает работу, которая численно равна изменению энергии, затрачиваемой на периодическое изменение положения центра тяжести тела, а также на ускорение и замедление конечностей, главным образом ног. Часть энергии идет на нагревание организма человека и окружающей среды. Средняя мощность, развиваемая человеком, не занятым специально физическим трудом, невелика и, например, при ходьбе по ровной местности составляет 100-200 Вт в зависимости от скорости движения.

В зависимости от характера и интенсивности физической нагрузки происходят изменения функциональной активности взаимодействующих органов и систем. Так, например, необходимые для обеспечения данного вида механической работы объем крови и величина легочной вентиляции могут быть достигнуты за счет различных комбинаций величин ударного объема крови и частоты сердечных сокращений, частоты и глубины дыхания. Необходимое для данного вида механической работы потребляемое количество кислорода на 1 кг массы тела достигается различными комбинациями минутного объема крови, поперечного сечения капиллярного русла, площади трансмембранного обмена, различной активностью ферментативных транспортных систем.

Для оценки механической работы человека или отдельных групп мышц человека применяют приборы, называемые эргометрами, соответствующая методика измерений называется эргометрией. Примером эргометра служит тормозной велосипед.

Простейший велоэргометр (рис. 2.2) состоит из колеса радиусом R, которое приводится во вращение с помощью педалей. Через обод вращающегося колеса 1 переброшен ремень 2., действующий как тормоз. Сила трения между лентой и ободом колеса измеряется динамометром 3. Вся механическая работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения (при обработке данных пренебрегают потерями энергии в виде тепла). Механическую работу A₀, совершенную за один оборот колеса, определяют как произведение силы трения F_ТР на длину окружности колеса L

(2.15)

Знаячисло оборотов n и время испытания t, можно определить полную работу А и среднюю мощность Р_ср:

; (2.16).

Рис. 2.2. Велоэргометр (тормозной велосипед).

С помощью эргографа можно регистрировать (в простейшем случае при помощи самописца) амплитуды ритмически повторяющегося рабочего движения, выполняемого исследуемой мышцей или группой мышц. Утомление мышцы проявляется быстрым снижением амплитуды движения. Сравнивая время утомления мышцы при различных усилиях (нагрузках) и ритмах повторения движения, определяют оптимальные условия работы мышц при том или ином трудовом процессе. Методом велоэргометрии можно проводить функциональные исследования с использованием дозировонной физической нагрузки для выявления коронарной недостаточности и определения показателя функции внешнего дыхания.

Баллистокардиография (БКГ) – метод графической регистрации движений тела человека, обусловленных работой сердца и движением крови в крупных сосудах. В основе метода лежит закон сохранения импульса. Метод используется для оценки сократительной функции миокарда. Во время работы сердца происходит перемещение тела в направлении, противоположном движению крови. Выброс крови в аорту сопровождается движением тела в противоположную сторону. Кровь, пройдя дугу аорты, меняет свое направление на противоположное, соответственно изменяет свое положение и тело. Величина смещения пропорциональна объему крови, выброшенной во время систолы.

Существуют методы прямой и непрямой БКГ. При прямой БКГ регистрируются движения тела (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Методика регистрации прямой баллистокардиограммы.

Смещение тела больного вызывает перемещение индукционной катушки в поле постоянного магнита. Возникающий при этом индукционный ток (из-за явления электромагнитной индукции) регистрируется в виде кривой, называемой баллистокардиограммой. При непрямой БКГ регистрируется с помощью специальных датчиков смещение подвижной платформы, на которой находится больной. При анализе баллистокардиограммы оценивается соотношение амплитуды волн ситолического интервала кривой. Значительные изменения баллистокардиограммы наблюдаются при снижении сократительных свойств миокарда у больных с ишемической болезнью сердца, при гипертонической болезни, пороках сердца и других состояниях.

Динамокардиография – метод графической регистрации перемещения центра тяжести грудной клетки человека. В отличие от БКГ регистрируется с помощью чувствительных датчиков смещение не всего тела, а только центра тяжести грудной клетки. Метод позволяет определять длительность отдельных фаз сердечного цикла и может быть использован для оценки сократительных свойств миокарда.

Векторбаллистокардиография – метод изучения деятельности сердца путем одновременной регистрации продольных и поперечных смещений проекции центра массы грудной клетки на плоскость, параллельную фронтальной плоскости тела.

Эзофагокардиография – метод регистрации механической деятельности сердца с помощью датчика, введенного в пищевод на уровне сердца.

Гнатодинамометрия – метод измерения давления, создаваемого при смыкании зубов вследствие сокращения жевательных мышц. Данный метод используется для определения выносливости опорных тканей зубов к давлению. Выносливость пародонта зависит от индивидуального развития жевательной мускулатуры и пародонта, их функционального состояния, обусловленного возрастом, полом и другими причинами. Гнатодинамометр снабжен специальными пластинками, на которые оказывают давление зубы при закрывании рта. Для регистрации создаваемого давления используются тензодатчики.

Поражение жевательных мышц в результате их воспаления или заболеваний тройничного нерва может быть причиной контрактуры нижней челюсти, при которой частично или полностью ограничиваются движения нижней челюсти. В связи с этим прибретает значение метод миоартрографии.

Миоартрография – метод одновременной регистрации сокращений жевательных мышц и движений суставных головок. Датчики миоартрографа фиксируют в области жевательных мышц и суставных головок. Изменение положения суставных головок приводит к деформации пластинок с наклеенными на них тензодатчиками.