CC BY
53
УДК:796.01:612
ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫХ ДВИЖЕНИЙ ПО БИОМЕХАНИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИМ МАРКЕРАМ ПРИ СТРЕЛЬБЕ ИЗ ЛУКА
О.И. Шестаков, аспирант, заслуженный мастер спорта,
Т.В. Пономарева, кандидат биологических наук, декан факультета адаптивной и оздоровительной физической культуры,
С.В. Фомиченко, кандидат биологических наук, доцент, заведующий магистратуры,
Е.Р. Миниханова, студентка, лаборант кафедры адаптивной физической культуры,
А.Б. Трембач, доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры адаптивной физической
культуры, руководитель научно-практического центра «Нейробиоуправление»,
Кубанский государственный университет физической культуры, спорта и туризма, г. Краснодар.
Контактная информация для переписки: 350015, Россия, г. Краснодар, ул. Буденного, 161,
e-mail: [email protected].
В настоящее время существенно повысился интерес исследователей к раскрытию механизмов результативности при стрельбе из пистолета, винтовки, лука, что позволяет оптимизировать тренировочный процесс в этих видах спорта. Однако комплексный анализ биомеханических, электромиографических и электроэнцефалографических параметров не используется. Целью данного исследования явилась разработка методического подхода к анализу целенаправленных движений по биомеханическим, электромиографическим и электроэнцефалографическим показателям на примере стрельбы из лука.
Четыре спортсмена молодежной сборной команды России в возрасте 16-19 лет, квалификации мастера спорта, приняли участие в комплексном исследовании при стрельбе из лука. Регистрация кинематических параметров (перемещение координат в пространстве, их скорость и ускорение) осуществлялась по 16-ти маркерам. Синхронная запись исследуемых показателей позволила определить по доминантным маркерам лучезапястных и правого локтевого суставов фазы подготовки и реализации выстрела соревновательного упражнения стрельбы из лука. Электромиограмма восьми ведущих мышц и электроэнцефалограмма в 19 отведениях регистрировались телеметрически.
Сравнительный анализ электромиографических, электроэнцефалографических и кинемати-
ческих показателей позволил выявить следующие фазы подготовки и развертывания: (I) предварительная подготовка к выстрелу, (II) подъем опорной руки до оптимального уровня положения лука перед натяжением, (III) натяжение, (IV) прицеливание, (V) выпуск стрелы. Анализ электроэнцефалограммы осуществлялся в фазу прицеливания, которая реализовалась посредством зрительно-моторного контроля, что свидетельствует специфическими электрическими паттернами в премоторных, моторных, сен-сомоторных и затылочных областях коры больших полушарий по сравнению с состоянием покоя с открытыми глазами. Данный подход позволяет осуществлять комплексный анализ биомеханических, электромиографических и электроэнцефалографических показателей и выявлять корреляционные связи между ними преимущественно в фазу прицеливания.
Ключевые слова: стрельба из лука, фазы выстрела, биомеханические параметры, электромиографические параметры, электроэнцефалографические параметры.
Введение. Произвольные движения человека являются основным инструментом активного преобразования внешней среды, что позволяет ее совершенствовать. Поэтому большинство произвольных движений являются целенаправленными, обеспечивающими запланированный результат. Сложившаяся в процессе эволюции многоуровневая иерархическая двигатель-
ная система формирует целенаправленные движения за счет ограничения степеней свободы. [2] Точность таких движений имеет широкий спектр, от простых действий до их высокого уровня реализации. Их моделью может служить стрельба из лука. В настоящее время существенно повысился интерес исследователей к раскрытию механизмов результативности при стрельбе из пистолета, винтовки, лука, что позволяет оптимизировать тренировочный процесс в этих видах спорта. Однако необходимо отметить, что различными авторами используется не комплексный анализ биомеханических и электрофизиологических показателей при подготовке прицельного движения в этих видах спорта, а отдельные методики: видеоанализ произвольных движений, электромиография, электроэнцефалография. Группа исследователей из Южной Кореи на основании биомеханического анализа выявила двенадцать фаз выстрела из лука, начиная с занятия позиции и установки до конечных фаз - перехода к удерживанию, прицеливания и расширения, что обеспечивает в конечном итоге точность выстрела.[10] Однако в других исследованиях, использующих биомеханический подход, количество фаз сокращается до 5-6. [1,6] Основными физиологическими фазами, по мнению авторов, обеспечивающими результативность спортивного упражнения, являются: фазы принятия основной изготовки, выхода стрелы при прицеливании из под кликера (до-тяг) и завершения выстрела.[7] Имеются работы, в которых анализ фаз (от 4 до 6) осуществляется по электромиографическим показателям с учетом ведущих мышц в реализации спортивного упражнения и его точности. [3, 4, 8] Анализ электрической активности головного мозга у спортсменов лучников обычно осуществляется без синхронной записи с кинематическими и электромиографическими показателями, без выделения фаз во временном интервале, предшествующем выстрелу. [5, 9, 11] Без комплексного анализа спортивной техники при стрельбе из лука достаточно трудно оценивать механизмы формирования данного спортивного упражнения, которые позволяют выделить физиологически обоснованные интервалы, обеспечивающие точность выстрела. Такой подход дает возможность выявить взаимосвязь электрофизиологических коррелятов корковых программ, активность мышц при их реализации и конечный биомеханический эффект данного спортивного упражнения. В связи с вышеизложенным, целью данного исследования явилась разработка методического подхода к анализу целенаправленных движений по биомеханическим, электромиографическим и электроэнцефалографическим показателям на примере стрельбы из лука. Синхронная запись их позволяет выявить объективные фазы развертывания данного спортивного упражнения с учетом показателей внешней и внутренней структуры движения, включая корковый уровень.
Методика исследования. Четыре спортсмена молодежной сборной команды России в возрасте 16-19 лет, квалификации мастера спорта, приняли участие в комплексном исследовании при стрельбе из лука. Со-
гласно Хельсинской декларации они были информированы о целях и задачах исследования и дали письменное согласие на участие. Моторная задача заключалась в максимальной точности попадания стрелы в мишень с расстояния 18 метров в специально оборудованном помещении. Испытуемые выполняли 30 выстрелов. Регистрация кинематических параметров (перемещение координат в пространстве, их скорость и ускорение) осуществлялась по 16-ти маркерам (голова, симметричные плечевые, локтевые, лучеза пястные, тазобедренные, коленные, голеностопные, плюсневые суставы стоп) с частотой дискретизации 50 Гц, посредством аппаратно-программного комплекса «СпортЛаб», разработанного «Научно-медицинской фирмой «Биософт» г. Москва. Механо-оптический датчик, разработанный нами, позволял регистрировать момент срабатывания кликера и синхронизировать биомеханические и электрофизиологические параметры. Синхронная запись биомеханических, электромиографических и электроэнцефалографических показателей позволила определить по доминантным маркерам фазы подготовки и реализации выстрела при стрельбе из лука. Электро-миограмма ведущих мышц в виде их огибающих (трехглавые мышцы левой и правой руки, двуглавые мышцы левой и правой руки, дельтовидные мышцы, нижние пучки трапециевидных мышц) осуществлялась телеметрически посредством электромиографа аппаратно-программного комплекса «СпортЛаб».
При подготовке к выстрелу и его реализации телеметрически регистрировалась электроэнцефалограмма посредством электроэнцефалографа «Энцефа-лан-ЭЭГР-19/26» фирмы «Медиком МТД» г. Таганрог. Электрическая активность головного мозга определялась в 19 отведениях по системе 10-20 (Рр1; Рр2; Рр2; Р3; Р2; Р4; РС3; РС2; Т3; С3; С2; С4; Т4; Т5; Р3; Р2; Р4; Т6; 01; 02; 02). Регистрация всех исследуемых параметров осуществлялась в состоянии покоя (стоя с открытыми глазами), при подготовке к выстрелу и во время выстрела из лука. Телеметрическая аппаратура обеспечивала регистрацию электромиографических и электроэнцефалографических показателей спортивного упражнения в комфортных условиях. Полученные результаты регистрации ЭЭГ анализировались посредством программы WinEEG фирмы «Мицар» (С-Петербург), и рассчитывались усредненные топографические карты мощности спектра электроэнцефалограммы в частотных диапазонах 4-8; 8-10; 10-12; 12-24; 24-35 Гц. Определялись достоверные различия топографических карт посредством однофакторного дисперсионного анализа №й$йка 10).
Результаты исследования. Сравнительный анализ биомеханических, электромиографических и электроэнцефалографических показателей выявил доминирующие маркеры подготовки и развертывания выстрела из лука по перемещению лучезапястных суставов, их скоростей и ускорений по вертикали (ось 7) и горизонтали (ось У), а также по динамике электромиографической активности, которые позволили определить начало и конец отдельных фаз (рис. 1).
Рисунок 1. Фазы подготовки и развертывания выстрела по биомеханическим параметрам: 1 - перемещение координаты левого лучезапястного сустава по оси 2, 2 - перемещение координаты правого лучезапястного сустава по оси 2,
3 - перемещение координаты левого лучезапястного по оси У,
4 - перемещение координаты правого лучезапястного сустава
по оси У, 5 - скорость координаты левого лучезапястного
сустава по оси 2., 6 - скорость координаты правого лучезапястного сустава по оси 2, 7 - скорость координаты левого лучезапястного сустава по оси У, 8 - скорость координаты правого лучезапястного сустава по оси У, 9 - ускорение координаты левого лучезапястного сустава по оси 2, 10 - ускорение координаты правого лучезапястного
сустава по оси 2, 11 - ускорение координаты левого лучезапястного сустава по оси У, 12 - ускорение координаты правого лучезапястного сустава по оси У, 13 - перемещение координаты правого локтевого сустава по оси 2, 14 - скорость координаты правого локтевого сустава по оси 2, 15 - ускорение координаты правого локтевого сустава по оси 2, и огибающим электромиограммам мышц: 16 - левая трехглавая, 17 - правая трехглавая, 18 - левая двуглавая, 19 - правая двуглавая, 20 - левая дельтовидная, 21 - правая дельтовидная, 22 - левые нижние пучки трапециевидных, 23 - правые нижние пучки трапециевидных, 24 - датчик двигательной активности, определяющий время выстрела
Некоторые выделенные фазы отличались максимально выраженными изменениями от представленных выше работ в процессе подготовки и реализации выстрела, в частности координаты лучезапястных и правого локтевого суставов. Они имеют точные границы и определенный функциональный смысл перемещения координат и взаимосвязи с электрической активностью мышц по площади огибающей электро-миограммы.
В первой фазе, по общепринятым представлениям, предварительная подготовка к выстрелу заключалась в формировании позы, с заряжением стрелы, захватом тетивы и упиранием в лук. Фаза представлена графически на завершающем этапе, который имеет индивидуальный характер и не представляет существенного значения для достижения спортивного результата. Вторая фаза - подъем опорной руки до оптимального уровня положения лука перед натяжением. Начало фазы определялось повышением электрической активности левой дельтовидной мышцы, нижних пучков трапециевидных мышц и треглавых мышц с последующим перемещением координат лучезапястных суставов по оси Z. Завершение фазы определялось максимальным значением координаты левого лучезапястного сустава и снижением ее скорости и ускорения. С момента прекращения второй фазы начиналась фаза натяжения до стабилизации исследуемых биомеханических маркеров и стабилизации электромиографической активности нижнего пучка трапециевидной мышцы, двуглавой и дельтовидной мышц правой руки на максимальном уровне. Четвертая фаза - прицеливание - начиналась с момента стабилизации вышеперечисленных биомеханических, электромиографических показателей до выпуска стрелы. Пилотные исследования показали, что при переходе к прицеливанию осуществлялось движение глазных яблок, направленное на фиксацию мушки. Пятая фаза - выпуск стрелы (выстрел), начало которой характеризуется снижением электрической активности нижних пучков трапециевидных мышц, двуглавых, дельтовидных мышц и незначительными изменениями биомеханических параметров в лучезапястных суставах.
Анализ электроэнцефалограммы осуществлялся только в четвертую фазу - прицеливание, так как в этот временной интервал происходила стабилизация натянутого лука и осуществлялся зрительно-моторный контроль, который определял единую функциональную систему спортсмен-оружие (рис. 2).
При сравнении усредненных топографических карт мощности спектра ЭЭГ в диапазонах 4-8; 8-10; 1012; 12-24; 24-35 Гц при прицеливании были выявлены существенные отличия от аналогичных карт стоя с открытыми глазами до начала подготовки и реализации выстрела (рис.3).
Рисунок 2. Электроэнцефалограмма в 19 отведениях в выделенных фазах (I - V, см. в тексте) подготовки и развертывания выстрела
Рисунок 3. Топографические карты мощности спектра ЭЭГ в диапазонах 4-8; 8-10; 10-12;
12-24; 24-35 Гц у высококвалифицированных спортсменов в состоянии покоя стоя с открытыми глазами до подготовки и реализации выстрела (А) и при прицеливании (Б)
Полученные данные являются объективным критерием фазы прицеливания у высококвалифицированных спортсменов-лучников, так как в этот временной интервал повышалась мощность спектра ЭЭГ в низкочастотных диапазонах в затылочных областях коры больших полушарий, что согласуется с работами других авторов[5]. В то же время, мощность спектра в высокочастотных диапазонах ЭЭГ, обнаруженная нами ранее [9], существенно возрастала в премоторных, моторных, сенсомоторных и затылочных областях левого полушария. Таким образом, данный подход позволяет осуществлять комплексный анализ биомеханических, электромиографических и электроэнцефалографических показателей и выявлять корреляционные связи между ними преимущественно в фазу прицеливания.
Во второй фазе, по сравнению с первой, резко повышались кинематические показатели, которые снижались и максимально стабилизировались к фазе прицеливания, а электрическая активность ведущих мышц возрастала и стабилизировалась. Электрическая активность коры больших полушарий в фазу прицеливания существенно повышалась в низкочастотных диапазонах в затылочных областях, а в высокочастотных диапазонах - в центрах планирования, реализации и контроля зрительно-моторных реакций. Дальнейший сравнительный анализ корреляционных связей между биомеханическими, электромиографическими и электроэнцефалографическими показателями в выделенных фазах позволит получить новые данные об организации целенаправленных движений в зависимости от их точности.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Белоус П.А., Борщ М.К. Анализ временных и электромиографических параметров в оценке качества техники движений стрелков из лука / П.А. Белоус, М.К. Борщ // Международный научно-теоретический журнал «Прикладная спортивная наука», 2017. - №1(5). -С. 4-11.
2. Бернштейн Н.А. О построении движений / Н.А. Берн-штейн. - Медгиз, 1947. - 253 с.
3. Бучацкая И.К Динамика электрической активности мышц стрелков из лука в ходе многократно повторяющихся выстрелов / И.К Бучацкая, PM. Городничев // Теория и практика физической культуры.- 201S. -№ 1. - С. 32-3S.
4. Бучацкая И.К Особенности кинематических и электромиографических параметров стрельбы из лука / И.К Бучацкая, AM. Пухов, PM. Городничев // Биомеханика спортивных двигательных действий и современные инструментальные методы их контроля. Матер. Всерос. науч.-практ. конф. М^ФК. - Малаховка, 2013. - С. 104-109.
5. Hапалков ДА, Pатманова П.О., Коликов М.Б. Aппа-ратные методы диагностики и коррекции функционального состояния стрелка: методические рекомендации / ДЛ^апалков, П.О. Pатманова, М.Б. Коликов. - М.: MAКС Пресс, 2009. - 212 с.
6. Пухов AM. Биомеханические особенности выстрелов разной результативности стрелков из лука / AM. Пухов и др. // Материалы XI Всероссийской конференции с международным участием и школы-семинара для молодых ученых - Пермь: Изд-во Перм. HИПУ, 2014. - С. 19S-199.
7. Пухов AM. Закономерности управления движениями у высококвалифицированных стрелков из лука / AM. Пухов, СА Моисеев, С.М. Иванов, PM. Городничев // Теория и практика физической культуры. - 201S. -№ б. - С. 20-22.
S. Пухов A.M. Электромиографические критерии результативности стрельбы из пистолета / A.M. Пухов, P.M. Городничев // Теория и практика физической культуры. - 2012. - №11. - С. 79.
9. Шестаков О.И. Электрофизиологические корреляты центральных программ, определяющие уровень точности целенаправленных движений на примере стрельбы из лука у спортсменов с поражением опорно-двигательного аппарата / О.И. Шестаков // Материалы ежегодной отчетной научной конференции аспирантов и соискателей КГУФКСТ, 29 апреля 201б, г. Краснодар. - С. 2бб-270.
10. Ki Sik Lee Total Archery Inside the archer / Ki Sik Lee // Astra LLC. 2009. - P. 2S6.
11. Twigg, Peter, Sigurnjak, Stephen, Southall, Exploration of the effect of EEG Levels in experienced archers. Measurement and Control, 47 (б), 2014. - P. 1SS-190.
PHASE ANALYSIS OF GOAL-DIRECT MOVEMENTS USING BIOMECHANICAL AND ELECTROPHYSOLOGICAL INDICATORS IN ARCHERY
О. Shestakov, Postgraduate student, Honoured Master of Sports,
^ Ponomareva, Candidate of Biological Sciences, Dean of the Adaptive Physical Education Faculty,
S. Fomichenko, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Head of Master's program Department,
Е. Minikhanova, Student, Laboratory Assistant of the Adaptive Physical Education Department,
А. Trembach, Doctor of Biological Sciences, Professor, Professor of the Adaptive Physical Education
Department, Head of the Scientific and Practical Center «Neurobioupravlenie»,
Kuban State University of Physical Education, Sports and Tourism, Krasnodar.
Contact information for correspondence: 35015, Russia, Krasnodar, Budennogo str., 161,
e-mail: [email protected].
At present researchers' interest in disclosing of effectiveness mechanisms of pistolry, rifle shooting and archery has significantly increased, what allows to optimize the training process in these sports. However, complex analysis of biomechanical and electrophysiological parameters is not used. The purpose of this study was the development of a methodical approach to the analysis of goal-direct movements using biomechanical, electromyographic and electroencephalographic indicators by the example of archery. Four athletes from the youth national team of Russia at the age of 16-19 of Masters of Sports qualification participated in the complex study in archery using biomechanical, electromyographic and electroencephalographic indicators. The registration of kinematic parameters (coordinates' movement in space, speed and acceleration) were registered using 16 markers.
The synchronous recording of the investigated indicators allowed to determine preparation and implementation phase of the shot of the competitive exercise in archery by dominant markers of wrist and right elbow joints. The electromyogram of the eight leading muscles and the electroencephalogram in 19 arm pulling backwards was recorded telemetrically. The comparative analysis of electromyographic, electroencephalographic and kinematic indicators revealed the following preparation phases: (I) preliminary preparation for the shot, (II) raising of the supporting arm to the optimal level of the bow before tension, (III) tension, (IV) aiming, (V) release of an arrow.
The analysis of the electroencephalogram was conducted during the aiming phase, which was realized through the visual-motor control and was testified by specific electrical patterns in the premotor, motor, sen-sorimotor and occipital regions of the cerebral cortex in comparison with the state of rest with open eyes. This approach makes it possible to conduct a complex analysis of biomechanical, electromyographic and electroencephalo-graphic indicators and to reveal correlation links between them mainly in the aiming phase.
Keywords: archery, shot phases, biomechanical parameters, electromyographic parameters, electroenceph-alographic parameters.
References:
1. Belous P.A., Borshh M.K. The analysis temporary and the elektromiograficheskikh of parameters in assessment of quality of the technology of the movements of shooters from onions. Mezhdunarodnyj nauchno-teoreticheskij zhurnal Prikladnaja sportivnaja nauka [International Scientific-Theoretical Magazine Applied sports science], 2017, no 1 (5), pp. 4-11. (in Russian)
2. Bernshtejn N.A. Opostroenii dvizhenij [About creation of movements], Medgiz, 1947, 253 p. (in Russian)
3. Buchackaja I.N., Gorodnichev R.M. Dynamics of electric activity of muscles of shooters from onions during repeatedly repeating shots. Teorija i praktika fiz. kul'tury [Theory and Practice of Physical Culture], 2015, no 1, pp. 32-35. (in Russian)
4. Buchackaja I.N., Puhov A.M., Gorodnichev R.M. Features kinematic and elektromiograficheskikh of parameters of archery Biomechanics of sports physical actions and modern tool methods of their control. Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference MGAFK. Malahovka, 2013, pp. 104-109. (in Russian)
5. Napalkov D.A., Ratmanova P.O., Kolikov M.B. Apparatnye metody diagnostiki i korrekcii funkcional'nogo sostojanija [Hardware methods of diagnostics and correction of the functional status of the shooter]. Moscow, MAKS Press, 2009, 212 p. (in Russian)
6. Puhov A.M. Biomechanical features of shots of different effectiveness of shooters from onions Proceedings of the XI the All-Russian Conference with the International Participation and a Workshop for Young Scientists. Perm, NIPU, 2014, pp. 195-199. (in Russian)
7. Puhov A.M., Moiseev S.A., Ivanov S.M., Gorodnichev R.M. Regularities of management of the movements at highly skilled shooters from onions. Teorija i praktika fizicheskoj kul'tury [Theory and Practice of Physical Culture], 2015, no 6, pp. 20-22. (in Russian)
8. Puhov A.M., Gorodnichev P.M. Elektromiografichesky criteria of effectiveness of gun shooting. Teorija i praktika fizicheskoj kul'tury [Theory and Practice of Physical Culture], 2012, no 11, pp. 79. (in Russian)
9. Shestakov O.I. The electrophysiological correlates of the central programs determining the level of accuracy of purposeful movements on the example of archery at athletes with defeat of the musculoskeletal device. Proceedings of an Annual Reporting Scientific Conference of Graduate Students and applicants KGUFKST, Krasnodar, pp. 266-270. (in Russian)
10. Ki Sik Lee. Total Archery Inside the Archer, Astra LLC, 2009, 256 p.
11. Twigg, Peter, Sigurnjak, Stephen, Southall. Exploration of the Effect of EEG Levels in experienced Archers. Measurement and Control, 47 (6), 2014, pp. 185-190.
