Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

77-30569/238212 Экспериментальное исследование упруго-вязких свойств мышц в алгоритмах оценки степени усталости человека

# 10, октябрь 2011
Файл статьи: Шайхутдинов_P.pdf (340.96Кб)
авторы: Смирнова Е. В., Курбатов М. С., Шайхутдинов А. А.

УДК  61, 612, 612.7, 612.74, 612.741, 51-7

МГТУ им. Н.Э. Баумана

galiam@bmstu.ru

maks50.23@gmail.com

al@hypermax.ru

  1. Введение

Достижение спортсменом высоких результатов в спорте возможно благодаря усиленным тренировкам и научному подходу к развитию способностей спортсмена. Одним из направлений повышения результатов спортсмена является внедрение в тренировочный процесс методов анализа текущей информации физиологических и биологических параметров позволяющих оценивать степень усталости спортсмена [1].

Любые физические нагрузки вызывают включение адаптационных сил организма. Этот процесс помогает организму спортсмена приспособиться к новому режиму функционирования и защищает его от повреждений.

Усталость является абсолютно нормальным явлением и не имеет патологической основы, так как при усталости интенсивность адаптационных процессов превосходит физические нагрузки. Чувство усталости определяется обратимым снижением работоспособности и полностью исчезает после отдыха. Появление усталости означает некоторое истощение адаптационной способности организма, при этом серьезных изменений работы внутренних органов не наблюдается. Только в редких случаях однократная усталость может стать причиной возникновения кого-нибудь расстройства или заболевания.

Исследования в области мониторинга и прогнозирования состояния работоспособности человека ведутся в России и за рубежом, аппаратура, используемая для получения информации, включает в себя ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ [2]. Некоторые диагностические комплексы зарубежного производства имеют в своем составе также средства для измерения механических свойств мышечных тканей человека. Однако, эти комплексы уникальны, используются лишь в исследовательских институтах  и в зарубежных клиниках и стоят десятки и сотни тысяч долларов [17]. В России исследованиями биомеханических свойств космонавтов на борту космического аппарата занимаются в институте медико-биологических проблем (ИМБП). Анализ состояния уровня развития техники в области спортивной и лечебной медицины позволил выявить устройства, описанные в патентах № 2264164 «Устройство для вибрационной резонансной диагностики и определения объема движения ключицы» и № 2123803 «Устройство для диагностики функционального состояния трехглавой мышцы голени». Эти устройства применяются для диагностики состояния определенных групп мышц. Устройства, описанные в упомянутых патентах, обладают способностью диагностики состояния мышц, однако для применения в роли восстановительных и тренировочных  применяются уже другие устройства, не обладающие способностью использовать результаты диагностических измерений. Значительным недостатком упомянутых устройств является сложность их исполнения в устройствах тренажеров. Интеллектуальный тренажер будет отличаться от аналогов многофункциональностью, т.е., возможностью его применения как в качестве диагностического аппарата, так и в составе лечебного устройства для реабилитации и восстановления пациентов, или же для совершенствования мышц и тренировочных программ спортсменов.

2 Цель и задачи исследования

Цель данного исследования состояла в возможности определения зависимости между параметрами колебаний мышцы (частота и декремент затухания) и физическим состоянием усталости спортсмена и  повышение качества контроля физического состояния скелетной мускулатуры человека за счет автоматического получения количественных показателей механических колебаний мышц.

3 Организация исседования

Данные литературного обзора и опроса специалистов – физиологов показали, что существует достаточное количество методов, которые с высокой достоверностью и информативностью определяли бы посредством емкостного датчика физическое состояние усталости спортсмена.

Представленные  исследования проводились с использованием интеллектуальных тренажеров на базе спорткомплекса МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках реализации ГК № П1264 от 27.08.2009 г.

Для регистрации колебаний в мышце применялся емкостный датчик, а запись колебаний осуществлялась на измерительный комплекс (преобразователь сигналов сопряженный с компьютером), показанный на рисунке 1.

Выбор емкостного датчика обусловлен в первую очередь высокой чувствительностью элемента в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора, что позволяло получать более точные данные в процессе эксперимента.

В процессе записи спортсмен выполнял упражнения на интеллектуальном тренажере, емкостный датчик снимал показания при двух положениях рук: растянутая и под углом.

Параллельно с колебаниями  мышцы регистрировалась электрокардиограмма, которая была необходима для последующей обработки механограмм, по ним определялись длительности кардиоинтервалов.

Исследования проводились до тренировки и сразу после тренировки в течение всего тренировочного периода. Для уточнения функционального состояния и его степени проводилось измерение пульса, кровяного давления и опрос состояния спортсменов.

На первоначальном этапе по определению зависимости физического состояния усталости спортсмена от колебаний мышцы был составлен план эксперимента.

На первом этапе со спортсмена снимаются антропометрические данные и на их основе выставляются начальные значения нагрузки.

На втором этапе после закрепления емкостного датчика на теле, спортсменом производятся выполнение упражнений на интеллектуальном тренажере.

На основе полученной информации получаемой с датчиков, тренажер определяет степень усталости человека и корректирует нагрузку в зависимости от усталости спортсмена.

На третьем этапе производилось решение задачи программной оценки степени усталости спортсмена. Определение степени усталости спортсмена осуществлялось путем анализа скорости перемещения плеч совместно с информацией положения спортсмена относительно перекладины.

На четвертом этапе решались вопросы:

·        на каком расстояние необходимо расположить емкостной датчик от мышцы;

·        показания снимать для двух положений руки: растянутая и под углом;

·        сколько раз повторять измерения (для доказательства достоверности эксперимента);

·        необходимо ли физическое воздействие на мышцу для проведения эксперимента (ударять молоточком по руке или нет).

На заключительном пятом этапе производился анализ полученных данных, их обобщение и  составление результатов проведения эксперимента.

 

4. Технология регистрации, мониторинга и прогнозирования состояния работоспособности скелетной мышцы человека на основании измерения ее упрого-вязких свойств

Теоретически показано и моделированием подтверждено, что состояние мышц может быть полностью охарактеризовано двумя информационными параметрами  ,  непосредственно связанными с частотой и декрементом затухания собственных колебаний мышц. Экспериментальное исследование должно подтвердить достоверность и точность такого вида оценки [14].

Эксперименты  с мышцами проводились на специальном стенде (рисунок 1), состоящем из датчика механических колебаний, использующего трех осевой акселерометр ММА7361 (на рисунке 3.20 датчик обозначен цифрой 1), платы управляющего микроконтроллера (2) и персонального компьютера (ноутбук – 3) с программным обеспечением, необходимым для обработки сигналов.

При отладке (юстировке) приемного устройства для определения погрешностей измерения датчик жестко закреплялся на конце линейки (цифра 4 на рисунке 1), прикрепленной другим концом к столу. Незакрепленный конец линейки с помощью действия импульса внешней силы выводился из состояния равновесия, что приводило к возникновению свободных колебаний линейки. График колебаний, полученный при этом, приведен на экране рисунка 1 (цифра 5).

Рисунок 1 – Экспериментальный стенд для регистрации колебаний мышц.

Выходы акселерометра X-OUT, Y-OUTи Z-OUT подключаются к аналоговым входам платы управляющего микроконтроллера, цифровой выход которого  соединяется с USB-входом компьютера. Частота опроса датчика программно меняется в диапазоне от 100 до 1000 измерений в секунду, что соответствует теореме Котельникова при спектре частот колебаний мышц  в пределах от 100 до 200 Гц. Аналоговые данные, получаемые датчиком, преобразуются с помощью 10-разрядного АЦП микроконтроллера в  цифровой код и через USB-порт передаются в компьютер, где из них определяются  числовые параметры колебаний, а также строятся их графики, которые отображаются на экране.

Для проведения эксперимента по снятию данных колебаний мышцы бицепса, датчик прикреплялся на мышцу бицепса с помощью резинового жгута, крепящего кабель датчика, и крепежных лент, продетых в два отверстия платы акселерометра. Такое крепление обеспечивает плотное прилегание датчика к мышце, иначе собственные колебания платы датчика будут создавать помехи, искажающие результаты эксперимента; но при этом испытуемый не должен испытывать ощущение дискомфорта. После прикрепления датчика, испытуемый садится на стул так, чтобы его рука от локтя до кисти свободно лежала на столе, ладонью вверх. После этого  испытуемый сгибает руку в локте до упора и разгибает в исходное положение. На рисунке 2 приведен график  колебаний мышцы бицепс при совершении двух движений в локтевом суставе без дополнительной нагрузки на руку.

Рисунок 2 – График колебаний мышц бицепса при сгибании локтевого сустава без нагрузки.

По графику видно, что колебания при первом и втором сокращении имеют схожие графики, однако, с некоторыми различиями в моменты начала и окончания сгибания-разгибания руки. Таким образом, можно сказать, что данную методику измерений можно использовать для анализа состояния мышц бицепса, даже не вводя внешнее ударное воздействие. При проведении экспериментов над группой мышц, необходимо использовать отдельные датчики для каждой мышцы из группы мышц (например, в описанном выше эксперименте можно также разместить датчик на  мышце трицепса, получив, таким образом, эксперимент над группой мышц бицепс-трицепс).

С помощью созданного экспериментального стенда были проанализированы изменения состояния мышц при физических упражнениях. Для этого регистрировались колебания мышц сначала до выполнения упражнений, затем - после выполнения упражнений с нагрузкой.  Вес утяжелителя (гантели) был подобран таким образом, чтобы испытуемый мог сделать 10-20 движений рукой до полного утомления. По мере утомляемости работающей мышцы регистрировались колебания в мышце и анализировались изменения графиков колебаний.

Экспериментальные исследования проводились для работоспособных и утомленных мышц  (бицепс и трицепс) в расслабленном и напряженном состояниях.

На рисунке 3 приведены графики  колебаний мышцы бицепс в расслабленном и напряженном состояниях до и после нагрузки.

а) колебания в мышце бицепс в расслабленном состоянии до нагрузки

б) колебания в мышце бицепс в напряженном состоянии до нагрузки

в) колебания в мышце бицепс в расслабленном состоянии после нагрузки

г) колебания в мышце бицепс в напряженном состоянии после нагрузки

Рисунок 3 – Графики колебаний мышцы бицепс до и после нагрузки

 

Результаты измерения колебаний и их параметры приведены в таблицe.

Таблица  – Результаты всех экспериментов

Состояние мышцы

Декремент затухания колебаний

(среднее значение)

Дисперсия

Частота колебаний (среднее значение), Гц

Дисперсия

Pт

Дисперсия

Расслабленная

3,18

0,37

61,2

5,11

-------

-------

Напряженная

2,68

0,20

66,8

23,15

0,69

0,27

Утомленная расслабленная

3,45

0,55

50,8

16,84

-------

-------

Утомленная напряженная

3,50

0,51

45,6

2,64

- 0,08

0,27

 

5. Результаты эксперимента

Степень утомляемости спортсмена важнейшая характеристика его потенциальных возможностей в спорте. Исследователям и самому спортсмену, кроме субъективной оценки состояния (хорошее, плохое состояние) очень важно знать и количественные показатели этого состояния.

В данном исследовании применен метод оценки состояния спортсмена по показателям колебаний мышцы (частоте и декременту затухания) в зависимости от состояния степени усталости спортсмена. Результаты, полученные в эксперименте показали хорошую степень  совпадения с теоретическими данными и подтвердили эффективность предложенного способа оценки степени мышечной усталости человека, а также позволили построить механико-математическую модель скелетной мышцы человека и доказать теоретически наличие корреляционной зависимости между параметрами собственных колебаний мышцы человека (механических) и состоянием ее работоспособности. Математическая модель скелетной мышцы была апробирована (сделан доклад) на конференции IEEE-2010 по Бионике и биомеханике, вызвала живой интерес коллег [16].

В результате разработанной программы эксперимента   необходимо учитывать следующие моменты при проведении измерений:

¾    емкостной датчик необходимо располагать в непосредственной близости от мышцы;

¾    показания снимать для двух положений руки: растянутая и под углом;

¾    для достоверности эксперимента и доказательства полученных данных необходимо повторять сбор данных не менее 3-х раз;

¾    в зависимости от степени усталости спортсмена необходимо производить физическое воздействие на мышцу для проведения эксперимента.

Таким образом, на базе проведенного исследования разработан принципиально новый синергетический подход к повышению эффективности получения информации о состоянии (работоспособности) скелетной мускулатуры   человека путем предварительной регистрации свободных колебаний мышцы и выделения из них единообразных информационных составляющих.

Прототип разрабатываемого прибора способен на основании параметров регистрируемых колебаний мышц спортсмена, делающего силовое упражнение, определить момент наибольшей концентрации напряжения в мышцах, уменьшить нагрузку на спортсмена, стимулируя спортсмена не к прекращению упражнения, а его завершению, что будет способствовать развитию мышц наилучшим образом.

Результаты работы будут использоваться в тренировочных процессах спортсменов. Учет биомеханических показателей мышц позволит получить полную картину изменений в мышце, что позволит регулировать нагрузку на мышцу и рационально сочетать режимы нагрузки и отдыха.

Авторы статьи благодарны Министерству науки и образованию РФ за финансовую поддержку в виде Государственного контракта   № II 1264 от 27 августа 2009 г. на проведение поисковой научно-исследовательской работы в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 г.г.» по теме «Разработка методологии совершенствования учебно-тренировочного процесса учащихся ВУЗов и спортсменов высшей квалификации на основе изученния закономерностей физиологии опорно-двигательного аппарата».

 

ЛИТЕРАТУРА

1.       Башкин В.М. Исследование изменения функционального состояния нервно-мышечного аппарата спортсменов в течение различных тренировочных периодов/Научно-теоретический журнал «Ученые записки», № 3(49), СПб, 2009 год

2.       Бэгшоу К. Мышечное сокращение М.: Мир, 1985.159с.

3.       Буров Г.А., Гороховский Л.З., Ефимова С.П., Ефимов Л.И., Тишина Л.Н. Прыжки в воду. Учебник для вузов, М.: Физкультура и спорт, 1983. – 208 с., ил.

4.       Верхошанский Ю.В.Основы специальной силовой подготовки в спорте / Ю.В. Верхошанский. М.: Физ-ра и спорт 1997г.-215с.

5.       Верхошанский Ю.В. Программирование и орагнизация тренировочного процесса //М.: Физ-ра и спорт 1977г.-215с.

6.       Верхошанский Ю.В.  Основы специальной физической подготовки спорстменов // М.: Физкультура и спорт, 1988.- 331с.

7.       История создания теории спортивной тренировки на веб-сайте НИИ Спорта http://science.sportrdu.ru

8.       Матвеев Л.П. Основы спортивной тренировки: учебное пособие для институтов физ. Культуры / Л.П. Матвеев  – М. Физкультура и спорт 1977г. – 280 стр.

9.       Новоселов В.С., Королев В.С. Модель возбуждения мышцы // Труды 4-й Международной конференции "Идентификация систем и проблемы управления". - М., 2005. Стр. 367-374 с.

10.   Таркова К.Р. Соотношения между потенциалами действия скелетной мышцы и её напряжением при различных функциональных состояниях // Материалы конференции молодых ученых Воронежского медицинского института. – Воронеж, 1996. – с. 157-158.

11.   Пахомова Т.Г. О взаимосвязи между твердостью, вязкостью, силой и биоэлектрической активностью мышц человека: Автореф. диссертация кандидата биологических наук. – Тарту, 1973. – с. 16.

12.   Веб-сайтамериканскогоисследовательскогоцентра US ARMY Natick Soldier Research, Development & Engineering Center (NSRDEC) http://www.natick.army.mil/soldier

13.    Антропометрические стандарты NASAhttp://msis.jsc.nasa.gov/ Volume1.htm.

14.   Галямова Е. В., Гуськов А. М., Сюзев В. В. Механико- математическая модель поперечнополосатой мышцыhttp://www.technomag.edu.ru/doc/155231.html     

15.   Коряк  Ю. А. Сократительные  свойства трехглавой мышцы голени у высококвалифицированных спортсменов-многоборцев мужчин и женщин // Физиология человека. 1994. Т. 20. 113-122

16.   Сайт ICABB-2010 “ Фотографии с Международной конференции по бионике и биомеханике»  http://mainframe.bmstu.ru/sport/index.php?id=5

17.   Biodex Multi-Joint System 4, CYBEX HUMAC NORM)

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2022 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)