CC BY
37
УДК 796.015 DOI 10.17238/issn1998-5320.2018.32.150
Е. А. Сергиевич, Омская гуманитарная академия Е. А. Зубарева,
Омский государственный агараный университет им. П. А. Столыпина
А. А. Зубарев,
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск
МЕТОДИКА И ТЕХНИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СПОРТСМЕНОВ
Проблема. Всегда существует необходимость объективной оценки результата физической нагрузки на организм человека, процесса утомления и оценки динамики восстановительного периода, в связи с чем проводятся многочисленные научно-исследовательские работы по поиску наиболее подходящих методик и оборудования, применимых в условиях учебно-тренировочного процесса и соревнований.
Цель. В настоящей статье предложены методики и малогабаритное оборудование Muscle Tester для оценки функционального состояния нервно-мышечной и сердечно-сосудистой системы человека (спортсмена) в «полевых» условиях, а именно в спортивном зале, на стадионе, улице (без электричества).
Методы и методология. Методика основана на регистрации и анализе комплекса физиологических и механических параметров спортсмена для оценки динамики изменений функционального состояния в процессе тренировочного цикла. Проводится синхронная регистрация биоэлектрической активности скелетной мышцы (или группы мышц), регистрация скорости и силы мышечного сокращения, сердечной активности.
Результаты. В результате испытания оборудования и предварительных экспериментов с учётом физиологии мышечной активности и направления спортивной специализации спортсменов (борцы) разработаны статические и динамические тесты, в процессе которых регистрируются физиологических и механических параметров.
Выводы. Анализ полученных данных позволит оценить прогресс развития и проследить динамику изменений физических способностей человека.
Ключевые слова: электромиография, тестовые движения, скелетные мышцы, тренажёр, динамическая нагрузка, статическая нагрузка.
Введение. Оценка функционального состояния спортсменов является неотъемлемой частью тренировочного процесса. Имея данные о физиологическом состоянии тренируемого, можно судить о результатах влияния физической нагрузки на основные функциональные системы организма. Изучая динамику этих изменений, объективно планируется степень дальнейшей нагрузки, время восстановления, эффект от применения различных средств и методов реабилитации [1; 2]. Малогаба-ритность оборудования и простота методик являются важным условием для удобства и могут применяться в любых условиях. В большинстве случаев основным ожиданием от тренировок является повышение мышечной силы, выносливости, скорости реакции. Характеристики об изменениях данных параметров могут быть получены путём применения методов электромиографии, динамометрии, спидометрии и кардиографии. Электромиография (ЭМГ-регистрация и анализ биотоков скелетных мышц) является информативным методом исследования нервно-мышечной системы. Одновременное использование названных методик значительно повышает информативность оценки функциональных возможностей спортсменов. Подобное оборудование с синхронной регистрацией ЭМГ, силы мышечного сокращения и тонуса мышцы было разработано ещё в 1969 г. Ю. В. Высочи-ным [3], данный метод был назван полимиографией.
Цель работы - разработать алгоритм проведения тестовых оценок нервно-мышечной системы и сердечной деятельности человека с использованием специальных движений, оборудования и методик анализа данных для контроля функционального состояния спортсменов в течение тренировочного процесса.
Объекты и методы. Объект исследования - спортсмены различного уровня подготовки для апробации методик и тестов в условиях спортзала. Для оценки нервно-мышечной системы применялся
метод поверхностной ЭМГ с одновременной регистрацией скорости и силы мышечного сокращения. Показано, что ЭМГ-сигнал и сила мышечного сокращения имеет высокую степень корреляции, повышая тем самым информативность оценки работы мышцы [4].
Для оценки сердечной деятельности был использован метод кардиофонографии. В данной статье большее внимание уделено методике оценки нервно-мышечной системы. Методика регистрации и анализа сердечной деятельности будет рассмотрена в других работах.
Регистрация проводилась по двум видам параметров: физиологические и механические.
Комплекс физиологических параметров включал в себя регистрацию и анализ биоэлектрических потенциалов определённых групп скелетных мышц или отдельной мышцы и регистрацию сердечных звуков (пульса).
Механические параметры - скорость и сила мышечного сокращения, измеряемые с использованием датчиков силы и скорости, закреплённых на тренажёрном оборудовании.
Регистрация и анализ сигналов производилась с помощью разработанных нами прибора Muscle Tester на базе современных микроконтроллеров и программного обеспечения (рис. 1, 2). Лёгкий, мобильный прибор подключается к ноутбуку или планшету, может использоваться в любых условиях (на стадионе, в тренажёрном зале, в лаборатории и т. д.).
Рис. 1. Muscle Tester, подключённый к ноутбуку через разъём USB
Мускул -тестер
Рис. 2. Стартовое программное окно прибора Muscle Tester
Лёгкие, безболезненные и безопасные датчики (ЭМГ, КФГ) не стесняют движений спортсмена, быстро фиксируются на теле. Датчики для ЭМГ [5] позволяют регистрировать биотоки мышц без выбривания волосяного покрова и даже через тонкую одежду.
Для анализа статической работы был использован тренажёр (рис. 3) с вмонтированным датчиком силы с измерением силового диапазона от 0 до 300 кг.
Для анализа динамической работы использовался тренажёр с вмонтированными датчиками силы и скорости (рис. 4), также эти датчики можно устанавливать на любое тренажёрное оборудование в спортивном зале. На рис. 5 показаны датчики, закреплённые на тренажёре в фитнес-центре.
Подобный комплекс датчиков имеет практику применения в экспериментальных работах для оценки работы двигательных единиц в скелетной мышце [6; 7] и зарекомендовал себя как информативный инструмент для исследований в данной области.
Рис. 3. Тренажёр с вмонтированным датчиком силы для статического теста
Рис. 4. Тренажёр с вмонтированным датчиком силы (1) и скорости (2) для динамического теста
Рис. 5. Датчики закреплены на тренажёре в спортивном зале с регистрацией ЭМГ: а) 1 - датчик силы, 2 - закреплённый на мышце электрод для ЭМГ, 3 - датчик скорости; б) увеличеннный фрагмент с датчиком скорости.
Результаты исследований. В результате испытаний были разработаны следующие виды тестовых упражнений (движений): статический и динамический тест.
Описания схемы проведения тестовых оценок.
Статический тест. После звукового или/и светового сигнала спортсмен должен совершить движение с максимальным усилием и удерживать его заданное время (5-30 с в зависимости от тренированности). В результате оценивается скорость реакции, скорость набора максимального усилия, время его удержания с максимальной силой, скорость спада усилия, ЭМГ-активность при статической работе мышцы (частота, амплитудные характеристики, форма и величина сигнала), КФГ (частота пульса). Величина и характер силы удержания усилия, но без регистрации ЭМГ применяется для оценки функционального состояния нервно-мышечной системы у детей и подростков [8]. На рис. 6 показано выполнение статического теста спортсменом-борцом в положении стоя двумя руками.
Рис. 6. Выполнение
статического теста Рис. 7. Выполнение статического теста
в положении стоя в положении сидя
На рис. 7 показано выполнение статического теста в положении сидя.
Динамический тест - после звукового или/и светового сигнала спортсмен совершает равномерные двигательные движения (например, поднятие и опускание груза определённой массы) либо совершает динамическую работу с максимальной скоростью до невозможности продолжать данное упражнение. Оцениваются скорость движения, мышечная сила, частотно-амплитудные характеристики, форма, величина ЭМГ-сигнала, пульс, определяется время роста и спада регистрируемых показателей.
На рис. 8 показано выполнение динамического теста. Спортсмен делает резкое движение вверх (указано стрелкой) с вытягиванием троса.
Рис. 8. Выполнение динамического теста спортсменом-борцом
Графическая запись сигналов отображается на экране (рис. 9) и записывается в память компьютера для дальнейшей обработки.
Для изучения физиологии тренируемого организма и внедрения данного оборудования и методик в практику тренировок, необходимо провести серию экспериментов на спортсменах в течение тренировочного цикла или серии циклов; проанализировать и сравнить физиологические и механические показатели в динамике; доработать программное обеспечение для выполнения автоматизированного анализа функциональных возможностей спортсмена в процессе тренировок и соревнований.
3 Динамическая нагрузка
Время: 14:26 Доступные порты СОМ 12 СОМ4 Выберите продолжительность
Доте 28 моя 2015 г. Скорость передачи 9600 движения Зсек. V Сторт/Паузв I П<
Сила, кг
Сила, кг
Скорость, м/с ВРемя с
Скорость, м/с
_I \
эмг
Рис. 9. Графическое отображение регистрируемых сигналов на экране компьютера
Обработка сигналов скорости и/или силы мышечного сокращения проводится по следующим параметрам (рис. 10).
Рис. 10. Параметры анализа графических данных: 1 - время реакции после звукового и/или светового сигнала, 2, 6 - время подъёма и падения сигнала, 3 - максимальный уровень сигнала, 4 - величина удержания максимального усилия (при статической нагрузке), 5 - время после звукового и/или светового сигнала для прекращения мышечного сокращения
Выводы. Таким образом, имеются почти готовое оборудование и методики для оценки функциональных возможностей спортсменов в «полевых» условиях, методики и тестовые движения подобраны с учётом физиологии нервно-мышечной активности и тактик тренировочного процесса. Оборудование отвечает всем требованиям возможности его применения в процессе тренировок. Датчики легко и быстро устанавливаются на тело человека (1-2 с), а также быстро проходит анализ физиологических сигналов (после регистрации в течение нескольких секунд) и выдача результатов) до, во время и после тренировки спортсмена (человека), неинвазивно (без нарушения целостности кожных и волосяных покровов и других внедрений в организм), безболезненно (без причинения неприятных и болевых ощущений).
Мы предлагаем разработать тестовые движения, наиболее характерные для определённой профессиональной (в т. ч. спортивной) деятельности человека. Также предлагаем использовать параметры (сила, скорость, время реакции и т. д.), по которым мы можем охарактеризовать способности (врождённые или приобретённые) индивида к определённому виду деятельности (или определённому виду спорта) и более информативно проводить оценку мышечной активности, необходимые не только спортсменам, но и пациентам мануальных терапевтов [9]. Вместе с тем, анализ описанных параметров позволит оценить прогресс развития и проследить динамику изменений физических способностей.
Библиографический список
1. Сергиевич Е. А. Комплексное использование физических средств восстановления на этапе непосредственной подготовки к соревнованиям борцов классического стиля высших разрядов : автореф. дис. ... канд. пед. наук. Омск, 1991. 18 с.
2. Сергиевич Е. А. Педагогические и медико-биологические средства восстановления в спорте (на примере единоборств) : монография. Омск: Ютон, 2010. 124 с.
3. Высочин Ю. В. Полимиография - метод исследования функционального состояния нервно-мышечной системы спортсмена // Теория и практика физической культуры, 1978. № 6. С. 26-29.
4. Boe S. G., Stachuk D. W., Brown W. F., Doherty T. J. Decomposition - based quantitative electromyography: effect of force on motor unit number estimates // Muscle and Nerve. 2005. Vol. 31. рр. 365-373
5. Электрод для поверхностной электромиографии : патент 81060 Российская Федерация, МПК А61В 5/04. / А. А. Зубарев, Е. А. Зубарева, В. Д, Пьянов; Омский гос. аграрный ун-т. № 2008 119988/22; заявл. 24.06.2008; опубл. 10.03.2009. Полезная модель № 7.
6. Roberts T. J., Gabaldon A. M. Interpreting muscle function from EMG: lessons learned from direct measurement of muscle force // Integrative and comparative biology. 2008. Vol. 48, No. 2. рр. 312-320.
7. Troiano А., Naddeo F., Sosso E., et all. Assessment of force and fatigue in isometric contractions of the upper trapezius muscle by surface EMG signal and perceived exertion scale // Gait and Posture 2008. Vol. 28. P. 179-186.
8. Способ исследования функционального состояния нервно-мышечной системы у детей и подростков : патент 58022 Российская Федерация, МПК7 A61B 5/103. / П. И. Храмцов, О. В. Гребенников, А. С. Седова; науч. Центр здоровья детей российской академии мед. наук. № 2005 124762/22; заявл. 03.08.2005; опубл. 10.11.2006. Полезная модель № 31.
9. Красноярова Н. А. Анатомо-физиологические особенности скелетных мышц и тесты для их исследования : учеб. пособ. Алматы, 2004. 199 с.
E. A. Sergievich,
Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor,
Omsk humanitarian Academy, 2а 4th Cheluskintsev st., Omsk, 644105, Russian Federation
e-mail: sok56@mail.ru
E. A. Zubareva,
Candidate of Biology Sciences, Associate Professor, Stolypin Omsk State Agrarian University, 1 Institutskaya square, Omsk, 644008, Russian Federation
e-mail: katzubareva@yandex.ru
A. A. Zubarev,
Candidate of Ttechnical Sciences, Associate Professor, Siberian State Automobile and Highway University, 5 Prospect Mira, Omsk, 644080, Russian Federation e-mail: aa_zubarev@mail.ru
METHODOLOGY AND TECHNICS FOR INVESTIGATION OF ATHLETES' FUNCTIONAL CAPABILITIES
Introduction. There is always a need for an objective assessment of the result of physical load on the human body, the process of fatigue and evaluation of the dynamics of the recovery period. In this connection, numerous research works on the search of the most suitable methods and equipment, applicable in the conditions of the training process and competitions are carried out.
Purpose. In this article, the methods and small-sized equipment "Muscle Tester" to assess the functional state of the neuromuscular and cardiovascular system of a person (athlete) in the "field" conditions, namely in the gym, at the stadium, the Uli-TSE (without an electric network).
Methods and methodology. The technique is based on the registration and analysis of the complex of physiological and mechanical parameters of the athlete to assess the dynamics of changes in the functional state during the training cycle. Synchronous registration of bioelectric activity of skeletal muscle (or muscle group), registration of speed and strength of muscle contraction, cardiac activity.
Results. As a result of testing of equipment and preliminary experiments taking into account the physiology of muscle activity and the direction of sports specialization of athletes (in this article wrestlers), static and dynamic tests are developed, during which physiological and mechanical parameters are registered.
Summary. The analysis of the data obtained will allow to assess the progress of development and to trace the dynamics of changes in human physical abilities.
Keywords: electromyography, test movements, skeletal muscles, simulator, dynamic load, static load.
References
1. Sergievich E. A. Kompleksnoe ispol'zovanie fizicheskih sredstv vosstanovlenija na jetape neposredstvennoj podgotovki k sorevnovanijam borcov klassicheskogo stilja vysshih razrjadov : avtoref. dis. ... kand. ped. nauk [Complex use of physical means of restoration at the stage of non-secondary preparation for competitions of wrestlers of classical style of the highest categories]. Omsk, 1991. 18 p.
2. Sergievich E. A. Pedagogicheskie i mediko-biologicheskie sredstva vosstanovleniya v sporte (na primere edinoborstv) : monografiya [Pedagogical and medical-biological means of recovery in sports (on the example of martial arts): Monograph]. Omsk: Yuton Publ., 2010. 124 p.
3. Vysochin Ju. V. Primigravida - method study of the functional state of the neuromuscular system of athletes. Teorija i praktika fizicheskoj kul'tury, 1978. no. 6. pp. 26-29.
4. Boe S. G., Stachuk D. W., Brown W. F., Doherty T. J. Decomposition - based quantitative electromyography: effect of force on motor unit number estimates. Muscle and Nerve. 2005. Vol. 31. pp. 365-373.
5. Jelektrod dlja poverhnostnoj jelektromiografii. Pat. 81060 Rossijskaja Federacija, MPK A61V 5/04. [Patent 81060 Russian Federation, IPC A61B 5/04. Electrode for surface electromyography]. A. A. Zubarev, E. A. Zubareva, V. D. Pjanov; Omsk state agrarian UN-T. № 2008 119988/22; declared. 24.06.2008; publ. 10.03.2009. Utility model number 7.
6. Roberts T. J., Gabaldon A.M. Interpreting muscle function from EMG: lessons learned from direct measurement of muscle force. Integrative and comparative biology. 2008. Vol. 48, No. 2. pp. 312-320.
7. Troiano А., Naddeo F., Sosso E., et all. Assessment of force and fatigue in isometric contractions of the upper trapezius muscle by surface EMG signal and perceived exertion scale. Gait and Posture 2008. Vol. 28. pp. 179-186.
8. Sposob issledovanija funkcional'nogo sostojanija nervno-myshechnoj sistemy u detej i podrostkov Pat. 58022 Rossijskaja Federacija, MPK7A61B 5/103. [Patent 58022 Russian Federation, IPC7 A61B 5/103. A method of studying the functional state of the neuromuscular system in children and adolescents]. P. I. Hramcov, O. V. Greben-nikov, A. S. Sedova; nauch. Center of children's health of the Russian Academy med. sciences'. No. 2005 124762/22; declared. 03.08.2005; publ. 10.11.2006. Utility model No. 31.
9. Krasnojarova N.A. Anatomo-fiziologicheskie osobennosti skeletnyh myshc i testy dlja ih issledovanija. Uchebnoe posobie. [Anatomical and physiological features of skeletal muscles and tests for their study: textbook]. Almaty, 2004. 199 p.
Поступила в редакцию 17.11.2018 © Е. А. Сергиевич, Е. А. Зубарева, А. А. Зубарев, 2018
Авторы статьи:
Евгений Алексеевич Сергиевич, кандидат педагогических наук, доцент, Омская гуманитарная академия, 644105, Омск, 4-я Челюскинцев, 2а, e-mail: sok56@mail.ru
Екатерина Александровна Зубарева, кандидат биологических наук, Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина, 644008, Омск, Институтская площадь, 1, e-mail: katzubareva@yandex.ru Александр Александрович Зубарев, кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, 644080, Омск, пр. Мира, 5, e-mail: aa_zubarev@mail.ru
Рецензенты:
С. Е. Бебинов, кандидат педагогических наук, доцент, зав. кафедрой физической культуры, Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина.
И. В. Никонов, кандидат технических наук, доцент кафедры сведств связи и информационной безопасности, Омский государственный технический университет.
