CC BY
23О системе постурального апломба
Колягин Юрий Иванович
кандидат медицинских наук, главный врач, Центр Хиропрактики, welcenter@yandex.ru
В статье система постурального апломба человека рассматривается как самообучающаяся система, реализующая алгоритмы случайного поиска, которая работает на собственных частотах, определяемых упругими характеристиками позвоночника, напряженного связками, мышцами и нервными волокнами. Получены критерии для определения степени колебательности этой системы, при которой обеспечивается устойчивость вертикальной стойки. Доказывается, что в по-стуральной системе реализуется алгоритм управления связанный с фазовой автоподстройкой частоты. Обосновывается необходимость внедрения в широкую клиническую практику современных методов постурологического обследования пациентов: стабилометрических, морфометрических, акустических и миотонометрических методов диагностики с использованием компьютерных технологий. На основе новых методов структурной и функциональной диагностики предлагается создание научно-обоснованных алгоритмов диагностических и реабилитационных мероприятий. С учетом последних изобретений в области физической терапии подчеркивается особая актуальность повышения качества подготовки врачей-реабилитологов и хиропрактиков с помощью современных устройств и тренажеров.
Ключевые слова: постуральный апломб, устойчивость, колебательность, центр масс, центр давлений.
о
с <
6
о
о см
В процессе эволюции генная система человека выработала множество поисковых алгоритмов, обеспечивающих реализацию самообучения и самоорганизации всех систем человека, направленных на минимизацию расхода энергии. Исполнительные механизмы систем в состоянии реализовать эти алгоритмы только при обработке сенсорной информации, отражающей состояние внешней среды. Внешняя среда оказывает на все системы возмущающие воздействия, которые можно представить спектральной частотной функцией, полоса частот которой охватывает как низкие механические колебания, так и колебания звукового диапазона, так и колебания частот, лежащих в «оптическом окне».
Чтобы обеспечить устойчивость систем человека в столь жестких условиях непознанной реальности, сенсоры систем должны обеспечить частотную полосу пропускания не меньшую полосы спектральной частотной функции, характеризующей внешнюю среду.
Характерным примером таких сенсоров являются входы постуральной системы: глаза, которые воспринимают возмущения светового диапазона частот, уши, воспринимающие возмущения акустического диапазона, стопы ног, воспринимающие возмущения механических колебаний. Исполнительная система постурального апломба, включающая мышцы, связки, многозвенный скелет, на основании обработки информации с этих сенсоров должна обеспечить управляющие воздействия, динамика которых должна описываться передаточными функциями, полоса частот которых не ниже частот возмущающих воздействий. Только в этом случае в постуральной системе обеспечатся условия устойчивости. Из этого следует, что полнокровное приборное исследование устойчивости постуральной системы возможно только в случае применения приборов, улавливающих движения в этой системе не только механические низкочастотные, но и движения звукового диапазона и движения частот оптических. На сегодня для этих целей доступен только прибор, обеспечивающий измерения колебаний посту-ральной системы в диапазоне частот сердечного ритма: стопограф. Ограниченные способности этого прибора отмечены, например, в работе (1). На повышение информативности о системе по-стурального апломба направлены работы по измерению колебаний в ее системе в звуковом диа-
пазоне частот. Этот диапазон выбран как наиболее приборно обеспеченный.
Исследование пациентов с постуральными дисфункциями с помощью акустических приборов, позволяющих записывать сигналы этого диапазона, которые возникают при импульсных толчковых ручных воздействиях на позвоночник, позволили сделать вывод о том, что основные частоты звукового спектра, при эффективных восстанавливающих воздействиях, смещаются с течением времени в одном направлении(2). У одних пациентов в сторону уменьшения основной частоты, у других, наоборот, в сторону ее повышения. Из этого следует вывод, что основная частота звукового диапазона является частотой «собственной», каждый индивидуум обладает собственной частотой в звуковом диапазоне частот. На этой частоте преимущественно идет поисковый процесс компенсации внешних воздействий звукового диапазона частот. При этом реализуется алгоритм фазовой автоподстройки частот при изменении их около частоты собственной. Эта частота определилась в процессе поисковых процессов самообучения в по-стуральной системе, а при постуральной дисфункции произошла ее сдвижка. Указанные исследования поставили вопрос о происхождении звуковых волн, какой элемент тела человека является их генератором? Появление акустического шума при этом, указывает на то, что в этом процессе проявляется эффект кавитации (3). Кавитация связана с тем, что в межпозвонковой среде находится жидкость, в которой возможно образование газовых пузырьков при достаточных возмущениях этой среды. Известно также, что внутри этих пузырьков давление среды может достигать 2000 атмосфер, которые при критических давлениях лопаются, что вызывает акустические шумы (4). В звуковом диапазоне частот также идут колебания центра масс человека, измеренные трехкомпонентными акселерометрами, обладающими полосой пропускания от 0,5 Гц до 10 Кгц. При том отмечалось, что у пациентов с постуральной дисфункцией основные частоты звукового диапазона вдоль разных осей отличаются значительно. Тогда как у контрольной группы вдоль всех трех осей основные частоты звукового спектра близки.
При контроле мышечного тонуса с симметричных сторон позвоночника таких пациентов также обнаруживалась асимметрия, которая после восстановительных процедур исчезала, мышечный тонус слева и справа от позвоночника выравнивался, также выравнивались основные частоты колебаний центра масс вдоль всех трех осей. Тем самым примененные исследования позволили оценивать эффективность восстановительных процедур, заключающихся в ручных хиропрактических воздействиях на костно-мышечную систему пациентов. Чтобы объективно численно описать эти воздействия, были созданы приборы, оснащенные муляжами позвоночника, установленного на упругих подвесах,
оснащенных сенсорами и системой регистрации сигналов, генерируемых ими при воздействии на муляжи опытным специалистом(5,6,7). Отмечались эти сигналы крутым фронтом, длительность которого была 0,05-0,1сек. Такие сигналы, при разложении в спектр Фурье, также лежат в диапазоне звуковых волн, что указывает на возможность появления дифракции волн вызванных восстановительными воздействиями с волнами собственными постуральной системы. Взаимодействие указанных волн стимулирует генерацию собственных волн. Скорее всего собственные частоты отражают состояние позвоночного столба, который можно рассматривать как систему из предварительно напряженных балок. Предварительную напряженность элементам позвоночника обеспечивают мышцы и связки. В строительной механике применяются предварительно напряженные конструкции с целью повышения прочности при уменьшении их веса. Изгибы позвоночника, также как и изгибы предварительно напряженных конструкций, также направлены на достижение той же цели.
Известно, что предварительно напряженные конструкции обладают повышенными собственными частотами. То же можно с уверенностью отнести и к позвоночнику. От пациента к пациенту собственные частоты при этом составляли от 540 Гц до 840 Гц. А отклонения частот от собственных достигали 230 Гц. В работе (8), также утверждается, что из-за изгибов повышается резистентность позвоночника к осевой компрессии, там же дана ссылка на А. Дельмаса, который позвоночник рассматривает как динамический элемент, а любой динамический элемент может быть описан частотной передаточной функцией с основной частотой. Сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что генератором звуковых частот является исполнительный механизм, включающий позвоночник, мышцы, связки, нервные волокна, через которые сигналы с сенсоров и управляют колебательными процессами в постуральной системе. Только благодаря колебаниям предельно малых амплитуд, обнаруживаемых сверхчувствительными датчиками, обеспечивается устойчивость по-стуральной системы. Фильтрация сигналов стаби-лометрических платформ фактически снижает их информативность в десятки раз. Те сигналы, которые принимались за нерегулярные шумы, являются сигналами, определяющими устойчивость постуральной системы. Устойчивость в технических системах стабилизации оценивается степенью колебательности. Степень колебательности для системы постурального апломба может быть оценена максимальным отклонением центра давления от центра масс. Для этого используются стабилометрические платформы.
В трехмерном пространстве движения указанные отклонения определяются тремя линейными перемещениями и тремя угловыми: АХ ° ЛУ ° М ° АХ°лр°Ау. Существуют критические значения этих отклонений, при которых нарушается устойчивость системы постурального апломба. Чтобы
в У X
ДА
> о-
X
т гп А о п гп т;
о
-С ГП
о т; О
О и Д
о
-о О ГО О-Я
со
с <
е
о>
0 сч
01
удерживать докритические значения указанных отклонений в условиях внешних возмущений (акустических, визуальных, механических, климатических и прочих), исполнительный механизм должен постоянно обеспечивать трехмерный вектор сил и трехмерный вектор-скаляр моментов. Связь сил и моментов с отклонениями можно описать системой из шести нелинейных уравнений с перекрестными связями: ^ = ан • Пву
(1)
Мц = aj ■ naji
Здесь символ Попределяет произведение коэффициентов, определяющих перекрестные связи между силами и моментами.
Например:
_ F2 _ Fi
а12 - —, а21 - —,
и так далее. Предложенная система уравнений предполагает, что существуют группы мышц, которые оказывают преимущественное участие в создании силы или момента, определяющих изменение соответствующего i - того отклонения. Остальные группы мышц, также оказывают воздействие на это отклонение. Причем здесь не выполняется принцип суперпозиции, силы или моменты от перекрестных групп мышц не суммируются с силами или моментами, преимущественных групп мышц, но они изменяют передаточную функцию между силовой характеристикой преимущественной группы мышц и соответствующим отклонением.
В этом состоит главное отличие системы постурального апломба от кибернетических систем стабилизации, которые могут быть описаны системой уравнений, в которой перекрестные воздействия суммируются, для которых выполняется принцип суперпозиции силовых воздействий.
Моделью системы постурального апломба является упругий многозвенный стержень, на который действуют три силы и три момента, которые случайным образом изменяются во времени по гармоничным законам с изменяемыми частотами, а внутри стержень содержит чувствительные элементы, определяющие эти возмущения и содержит механизмы компенсирующие их.
В технической кибернетике такие системы классифицируют как системы с контурами отрицательной обратной связи и регуляторами прямого воздействия, которые обеспечивают уменьшение степени влияния внешних возмущений на отклонения системы от устойчивого состояния. Л.А. Расстригин эти системы относит к поисковым системам с самообучением (9). Самообучение происходит за счет пробных малых воздействий и определения следствия от этих воздействий. В данном случае определения степени отклонения. Частота изменения пробных воздействий существенным образом влияет на степень колебательности отклонений.
Вертикальная стойка обеспечивается этой системой за счет не прекращающейся работы
всех групп мышц в условиях быстро меняющейся реальности, окружающей систему постурального апломба. За счет самообучения система обеспечивают оптимальную работу всех групп мышц, при которой затрачивается минимум энергии. Посту-ральная дисфункция при этом должна проявиться повышенным расходом энергии, которая в свою очередь проявляется повышенным мышечным тонусом, который доступен для приборного измерения с помощью стабилометрических платформ. Известные стабилометрические платформы определяют интегральную силовую характеристику пациента и не позволяют установить три силы и три момента раздельно по каждой координате. Однако в авиации известны стержневые тензове-сы, используемые для измерения трех сил и трех моментов, действующих на модель летательного аппарата, под воздействием воздушного потока аэродинамической трубы. Если стабилометриче-скую платформу установить на такие тензовесы, то удастся измерить локальные силы и моменты, разложенные на соответствующие координаты.
Приборное измерение трех сил и трех моментов с одновременным измерением трех линейных и трех угловых координат перемещения центра масс, позволило бы установить коэффициенты ан системы уравнений 1. При этом систему уравнений 1 можно привести к виду:
-1 + £MX
Fx ,, Мх
-= 1 + £у -
а11 ■АХ а44 ■АЛ
=l + eY = 1 + £my (2)
a22AY Y aAAAß im w
=1 + £z =1 + eMZ
азз-AZ z aQQ-Ay MZ
Для оптимальной системы перекрестные связи между разными мышечными группами должны быть такими, которые сводят соотношение сил и моментов, вызванных отклонениями центра масс от центра давления и компенсирующими силами, при которых эти соотношения стремятся к 1. Только в этом случае система потребляет минимальную энергию.
В уравнениях 2 определяет ошибку, которую оптимальная система постурального апломба должна свести к 0. Иначе, величина этой ошибки может выступать основным параметром, который характеризует численно постуральную дисфункцию. Совершенно естественно, что для динамически устойчивой системы эта ошибка носит гармонический характер и можно только говорить об измерении ее на центральной частоте и вычислении ее дисперсии. Источником этой ошибки является отклонение центра масс от гравитационной оси (10). Именно величина дисперсии и частота ошибки являются показателями затраченной энергии на процесс стабилизации в системе по-стурального апломба. Физически реализовать систему, способную определить указанные отклонения возможно, если кроме определения сил и моментов, воздействующих на опорно-двигательный аппарат, измерять углы и перемещения центра давления относительно центра масс. Эти измерения производятся датчиками угловых скоростей и
датчиками линейных ускорений, помещенными на теле пациента в центре масс.Стержневые весы и указанные датчики позволяют произвести градуировку матрицы коэффициентов aij. Для этого предлагается пациенту, установленному на платформе сделать угловые и линейные движения в трех плоскостях. Измеренная матрица коэффициентов и динамические измерения углов, линейных перемещений и силовых характеристик, позволит установить отклонения, которые являются абсолютной характеристикой по-стуры (11). Существенно меньшими затратами достигается измерение опосредованных характеристик. При этом используется дифференциальный измеритель жесткости околопозвоночных тканей (12). Этот измеритель позволяет измерить разность жесткостей слева и справа от позвоночника. Установлено, что при дисфункции постуры, у некоторых пациентов эта разность достигала 95 —. В процессе восстановительных
мм
процедур эта разность стремилась к 0.
В реальной клинической практике для миото-нометрии применяется измеритель диагностический, дающий ценную информацию о состоянии мягких тканей (13). Также полезной информацией об отклонении от постуры является способ, которым производят съёмку фигуры пациента при различных ракурсах цифровой камеры на вращающейся платформе с целью сравнения в компьютере с изображением фигуры, принятой за норму, а также определением линейных и угловых отклонений от гравитационных осей (14,15)
В настоящее время все законы функционирования постуральной системы ещё далеко не полностью изучены. Хорошо изучены только глаза и подошвы стоп, воздействуя на которые нам удаётся регулировать постуральный тонус. А вот как правильно манипулировать позвоночником с целью лечения различных постуральных миофасциальных синдромов в настоящий момент является нерешенной задачей. Результаты фармакологического и хирургического лечения заболеваний позвоночника, к сожалению, не приносят желаемого клинического результата. На сегодняшний день большинство специалистов в поисках оптимальных и эффективных средств реабилитации обратились к максимальному использованию возможностей физической терапии - мануальная врачебная коррекция, массаж и лечебная физкультура (16,17,18). В связи с этим назрел вопрос о внедрении в клиническую практику новых современных методов диагностики различных структурных нарушений, особенно в мышечно-связочных структурах (19)
Полезной и очень ценной информацией о по-стуральных нарушениях являются способы определения в цифровом эквиваленте различных функциональных нарушений как в области позвоночника, так и других экстровертебральных структурах опорно-двигательного аппарата (20,21) Они позволяют не только проводить точ-
ную диагностику различных синдромов посту-рального мышечного дисбалланса, но и создавать четкие алгоритмы эффективных реабилитационных мероприятий.
Литература
1. Д.В.Скворцов. Стабилометрическое исследование. Издательство «Мера», г. Москва,2010г.
2. Колягин Ю.И. Способ контроля-диагностики, совмещенный с терапией постуральных дисфункций. Патент на изобретение RUS 2688311 от 21.05.2019.
3. М.Дж. Альтер. Наука о гибкости. Издательство «Олимпийская литература». г. Киев. 2001г.
4. Дж. Дейла, Р.Клепп. Кавитация, издательство «Мир», г.Москва, 1979г.)
5. Колягин Ю.И. Манекен-тренажер позвоночника компьютеризированный. Патент на изобретение RUS 2663933 от 13.08.2018.
6. Колягин Ю.И. Ударно-импульсный аппарат. Патент на изобретение RUS 2673630 от 28.11.2018
7. Колягин Ю.И. Компьютеризированный тренажер для обучения технике проведения силовых ручных воздействий на шейном отделе позвоночника. Патент на изобретение RUS 2679586 от 11.02.2019.
8. А.И.Капанджи. Позвоночник. Физиология суставов. Москва. Эксмо. 2 014г.
9. Л.А.Расстригин. Статистический поиск оптимума. Москва.Наука.1968г.
10. Пьер-Мари Гаже Бернар Вебер «Регуляция и нарушения равновесия. Постурология.». Санкт-Петербург. Издательский дом СПбМАПО. 2008г.
11.Колягин Ю.И. Устройство для диагностики постуральных нарушений. патент RUS 2692148 от 22.06.2018
12. Колягин Ю.И. Дифференциальный диагностический измеритель нарушений в мягких тканях человека. Патент на изобретение RUS 2688003 от 17.05.2019.
13. Еремушкин М.А., Куролес В.К., Рачина А.П., Колягин Ю.И. Измеритель диагностический. Патент на изобретение RUS 2627670 от 09.08.2017.
14. Колягин Ю.И. Способ и устройство для численного определения постуральных нарушений. Патент на изобретение RUS 2680784 от 26.02.2019.
15. Колягин Ю.И. Способ численного определения постуральных нарушений человека и их визуализация. Патент на изобретение RUS 2692437 от 22.06.2018
16. Л. Шайтов, С.Фритц «Массаж и мануальная терапия при боли в пояснице». Москва. Изд.БИНОМ. 2010г.
17. Колягин Ю.И. «Комплексная дифференцированная физическая реабилитация больных с люмбалгией в острый период заболевания» Москва, 2006г
18. Колягин Ю.И. Способ лечения структурных и функциональных нарушений в тканях человека. Патент на изобретение RUS 2410072 от 29.05.2009.
в
У
X
ДА
>
Ï3 Ö-X
т
m А
о п m
т;
о
-С
m о т; О
О u
Д
о
-о О ГО
Ö-Я
19. Колягин Ю.И. Способ численного определения структурных нарушений в отделах позвоночника и устройство для его реализации. Патент на изобретение RUS 2681197 от 04.03.2019
20. Колягин Ю.И. Способ определения объема движений в отделах позвоночника. Патент на изобретение RUS 2680786 от 26.02.2019.
21. Колягин Ю.И. Устройство для определения сопротивления пассивным движениям. Патент на изобретение RUS 2670667 от 24.10.2018.
About the postural aplomb system Kolyagin Yu.I.
Chiropractic Center
In the article, the human postural aplomb system is considered as a self-learning system that implements random search algorithms that operates at natural frequencies determined by the elastic characteristics of the spine, strained by ligaments, muscles and nerve fibers. Criteria are obtained for determining the degree of oscillation of this system, in which the stability of the vertical rack is ensured. It is proved that in the postural system a control algorithm is implemented associated with phase-locked loop frequency. The necessity of introducing into widespread clinical practice the modern methods of posturological examination of patients: stabilometric, mor-phometric, acoustic and myotonometric diagnostic methods using computer technology is substantiated. Based on new methods of structural and functional diagnostics, it is proposed to create scientifically-based algorithms for diagnostic and rehabilitation measures. Taking into account the latest inventions in the field of physical therapy, the special relevance of improving the quality of training of rehabilitation doctors and chiropractors using modern devices and simulators is emphasized.
Keywords: postural aplomb, sustainability, hesitation, center of
mass, center of pressure. References
1. D.V. Skvortsov. Stabilometric study. Publishing house "Mera",
Moscow, 2010
2. Kolyagin Yu.I. A control-diagnostic method combined with therapy for postural dysfunctions. Patent for invention RUS 2688311 dated 05/21/2019.
3. M.J. Alter. The science of flexibility. Publishing house "Olympic
literature". Kiev. 2001
4. J. Dale, R. Klepp. Cavitation, Mir Publishing House, Moscow,
1979)
5. Kolyagin Yu.I. The spine simulator is computerized. Patent for
invention RUS 2663933 from 08.13.2018.
6. Kolyagin Yu.I. Impulse-shock apparatus. Patent for invention
RUS 2673630 dated 11.28.2018
7. Kolyagin Yu.I. A computerized simulator for teaching the tech-
nique of conducting manual force on the cervical spine. Patent for invention RUS 2679586 dated 02/11/2019.
8. A.I. Kapanji. Spine. Physiology of joints. Moscow. Eksmo. 2014
9. L. A. Raststrigin. Statistical search for optimum. Moscow. Sci-
ence. 1968.
10. Pierre-Marie Gage, Bernard Weber "Regulation and violations of equilibrium. Posturology. " St. Petersburg. Publishing House SPbMAPO. 2008
11. Kolyagin Yu.I. Device for diagnosing postural disorders. RUS patent 2692148 dated 06.22.2018
12. Kolyagin Yu.I. Differential diagnostic measure of disorders in human soft tissues. Patent for invention RUS 2688003 dated 05/17/2019.
13. Eremushkin M.A., Kuroles V.K., Rachina A.P., Kolyagin Yu.I. Diagnostic meter. Patent for invention RUS 2627670 from 08/09/2017.
14. Kolyagin Yu.I. Method and device for the numerical determination of postural disorders. Patent for invention RUS 2680784 dated 02.26.2019.
15. Kolyagin Yu.I. A method for the numerical determination of postural human disorders and their visualization. Patent for invention RUS 2692437 from 06.22.2018
16. L. Shaitov, S. Fritz "Massage and manual therapy for lower back pain." Moscow. Publishing BINOM. 2010
17. Kolyagin Yu.I. "Comprehensive differentiated physical rehabilitation of patients with lumbalgia in the acute period of the disease" Moscow, 2006
18. Kolyagin Yu.I. A method for the treatment of structural and functional disorders in human tissues. Patent for invention RUS 2410072 from 05.29.2009.
19. Kolyagin Yu.I. A method for the numerical determination of structural disorders in the spine and a device for its implementation. Patent for invention RUS 2681197 dated 03/04/2019
20. Kolyagin Yu.I. The method of determining the range of motion in the spine. Patent for invention RUS 2680786 dated February 26, 2019.
21. Kolyagin Yu.I. Device for determining resistance to passive movements. Patent for invention RUS 2670667 dated 10.24.2018.
n
с <
e
Oi
0
СЧ ^
01
