CC BY
53
УДК 612.7 ББК 28.903,72 Ч 48
Чермит К.Д.
Доктор педагогических наук, доктор биологических наук, профессор, проректор по учебной работе Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 59-37-00, e-mail: Chermit@adygnet. ru
Заболотний А.Г.
Кандидат педагогических наук, доцент, зав. кафедрой физического воспитания, директор центра «Здоровье» Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 59-39-83, e-mail: [email protected]
Тугуз Э.И.
Зав. лабораторией эргономической биомеханики центра «Здоровье» Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 59-39-83
Регрессивные изменения естественных локомоций в нисходящей ветви онтогенеза
(Рецензирована)
Аннотация
Изучены кинематические характеристики естественных двигательных действий в пожилом возрасте путем применения оптической системы трехчерного видеоанализа движений. Установлены биомеханические и физиологические нарушения двигательного навыка при выполнении ходьбы у мужчин старше 70 лет. Определено направление воздействия физических упражнений для сохранения естественных двигательных действий в пожилом возрасте.
Ключевые слова: кинематические, физиологические характеристики, двигательный навык, разрушение двигательной функции, ритм, ходьба.
Chermit K.D.
Doctor of Pedagogy, Doctor of Biology, Professor, Vice Rector for Study, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 59-37-00, e-mail: [email protected] Zabolotniy A.G.
Candidate of Pedagogy, Associate Professor, Head of Physical Education Department, Director of the «Health» Centre, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 59-39-83, e-mail: [email protected]
Tuguz E.I.
Head of Laboratory of Ergonomic Biomechanics, «Health» Center of Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 59-39-83
Regressive changes of natural locomotions in a descending branch of ontogenesis
Abstract
Kinematic characteristics of natural motive actions at elderly age are studied by using optical system of the three-dimensional video analysis of movements. This work shows biomechanical and physiological violations of motive skill at walking men who are over 70. The authors define the direction of impact ofphysical exercises to preserve natural motive actions at elderly age.
Keywords: kinematic, physiological characteristics, motive skill, destruction of motive function, rhythm, walking.
Проблема объективизации уровня развития двигательных функций на отрезке ранний онтогенез - поздний онтогенез является весьма актуальной в настоящее время. Функциональные двигательные резервы, устойчивость их координационных механизмов определяют становление и характер регрессивных изменений основных естественных локомоций у людей пожилого возраста.
Профилактика преждевременного старения и поддержание функциональной и социальной активности населения являются приоритетными направлениями исследований педагогических, медицинских наук и адаптационной физиологии. Старение приводит к неуклонному снижению всех функций организма, что ограничивает его способность адаптироваться к изменяющимся условиям существования. Снижение функционального уровня гомеостатических механизмов в старости - основа, определяющая морфологические и клинические особенности адаптивных реакций у людей пожилого и старческого возрастов [1-4].
Активный двигательный режим может рассматриваться как средство регулирования функций стареющего организма. Поиск новых доказательств пролангирующего действия активного двигательного режима, разработка более обоснованных и индивидуализированных режимов имеют не только биологическое, но и педагогическое значение [4]. Интенсивность двигательной активности имеет адекватные пределы и соразмерна возрасту. Для определения рациональных границ двигательной активности, а также направленности средств физического воспитания по снижению темпов разрушения двигательной функции в пожилом возрасте необходимо определить регрессивные изменения естественных локомоций человека. С этой целью были изучены кинематические характеристики ходьбы у пожилых людей. Исследование проводилось в лаборатории эргономической биомеханики Адыгейского государственного университета. В эксперименте на добровольной основе приняли участие 28 практически здоровых мужчин в возрасте старше 70 лет. Сравнительную группу составили дети 6 лет в количестве 31 человек. Исследование кинематических характеристик ходьбы в выбранных возрастных группах позволит изучить проявление двигательного навыка ходьбы в период завершения формирования и в период начала естественного регресса.
Испытуемым предлагалось выполнять ходьбу в свободном темпе. Регистрация кинематических характеристик проводилась при помощи оптической системы трехмерного видеоанализа движений. Аппаратная часть комплекса «Видеоанализ движений» состоит из: двух видеокамер, двух ламп подсветки, тест-объекта, световозвращающих маркеров, компьютера, платы видеозахвата, записывающей видеоряд на жесткий диск компьютера.
Программная часть комплекса выполняет следующие операции:
- производит съемку движений с частотой 50 кадров в секунду;
- автоматически обрабатывает координаты маркеров на теле человека;
- представляет в графической форме всю фиксируемую кинематическую информацию.
Программное обеспечение комплекса «Видеоанализ движений» дает возможность
фиксировать изменение суставных углов, угловых скоростей, угловых ускорений, рассчитывать стандартные отклонения, производить сравнительный анализ хранящихся в базе данных результатов исследования нескольких испытуемых или одного испытуемого в разные периоды времени. Для регистрации кинематических характеристик движения на испытуемого с латеральной стороны тела в области проекции центра плечевого, тазобедренного, коленного, голеностопного, плюснефалангового суставов, а также на височной области головы устанавливались световозвращающие (отражающие направленный свет) маркеры диаметром 2,5 см. Испытуемый выполнял движения, его движения в течение 10 секунд записывались на две видеокамеры, располагавшиеся на расстоянии около 5 метров от места съемки и под углом 60 градусов к основному направлению движения испытуемого. За видеокамерами расположены лампы подсветки, освещающие световозвращающие маркеры на руках испытуемого, превращая их в яркие точки, что позволяет четко фиксировать их на видеозаписи (рис. 1). Сделанные видеозаписи обрабатывалась при помощи Программного комплекса Video Motion_ 3D.
Рис. 1. Исследование кинематических характеристик ходьбы у мужчин старше 70 лет
Изучены линейные кинематические характеристики - траектория, скорость и ускорение движения головы, плечевого, тазобедренного, коленного, голеностопного и плюснефалангового суставов в трехмерной системе координат, и угловые кинематические характеристики - изменения углов, угловых скоростей и угловых ускорений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставе. Всего исследовано 30 кинематических характеристик ходьбы.
Ходьба - сложный автоматизированный ритмический акт, характеризующийся повторением параметров кинематических характеристик через равные интервалы времени. Проявление ритма может рассматриваться как критерий оценки двигательного навыка. Чем больше кинематических характеристик, которым характерно проявление ритма, тем выше уровень сформированности двигательного навыка [2, 5]. Данный вывод подтверждается в исследовании мануальных действий дирижеров, проведенном Чермитом К.Д. и соавторами [2, 6-9], где доказано: чем выше уровень дирижерского мастерства, тем больше количество кинематических характеристик, которым характерно проявление ритма. Кроме того, по ритму пространственно-временных (кинематических) характеристик можно судить о процессах становления и разрушения двигательной функции человека в онтогенезе.
Для определения регрессивных изменений двигательной функции были изучены диаграммы, характеризующие изменение пространственно-временных характеристик у каждого испытуемого, после чего проведено сравнение количества кинематических характеристик (полученных в исследованиях Чермита К. Д. и соавторов), которым характерно проявление ритма в группе пожилых людей и в группе детей 6-летнего возраста [2, 5, 8, 10].
Установлено, что по всем кинематическим характеристикам проявление ритма у людей пожилого возраста значительно ниже, чем у детей 6 лет. Исключение составляет движение головы и плечевого сустава по оси Х, где проявление ритма у людей пожилого возраста характерно 100% испытуемым, а у детей 6 лет - всего 33,3% (для движения
головы) и 48,5% (для движения плечевого сустава). Это обстоятельство объясняется тем, что контроль над координацией собственных действий в пожилом возрасте осуществляется при неподвижном положении головы, что позволяет визировать окружающее пространство, вектор движения и конечную точку перемещения. Контроль собственных действий при ходьбе в 6-летнем возрасте не зависит от положения головы, поэтому у большинства детей движение головы не упорядоченно.
Ритм линейных и кинематических характеристик в движении тазобедренного, коленного, голеностопного и плюснефалангового суставов в пожилом возрасте проявляется у значительно меньшего количества испытуемых, чем у детей 6 лет. Исключение составляет лишь изменение координат перемещения данных суставов относительно оси У, направление которой совпадает с вектором движениях (табл. 1.).
Таблица 1
Проявление ритма линейных кинематических характеристик в группах пожилых людей и детей 6 лет
Кинематические характер ист ики Возраст голова Плечевой Тазобедренный
Х У Z Х У Z Х У Z
Линейные координаты 6 лет 33,3 100 96,7 48,5 96,7 100 57,6 96,7 100
70 лет 100 100 53,2 100 100 53,2 0 91,2 0
Линейные ускорения 6 лет 59,2 100 100 88,9 96,3 100 100 92,5 100
70 лет 83 76 68,8 83 76 68,8 7,6 7,6 7,6
Линейные скорости 6 лет 66,7 100 100 66,7 66,7 100 84,8 15,1 100
70 лет 30 38 60,8 30 38 60,8 0 0 0
Кинематические характер ист ики Возраст Коленный Голеностопный Ллюснефаланговый
Х У Z Х У Z Х У Z
Линейные координаты 6 лет 93,9 100 100 84,8 96,7 96,7 54,5 60,6 45,4
70 лет 15,2 100 30,4 7,6 100 45,6 7,6 100 8
Линейные ускорения 6 лет 100 100 100 88,9 92,5 85,2 66,7 70,3 62,9
70 лет 22,8 30,4 60,8 45,6 83,6 76 53,2 53,2 38
Линейные скорости 6 лет 100 100 100 100 100 100 48,4 81,8 69,6
70 лет 15,2 15,2 38 45,6 68,4 76 45,6 53,2 38
Ритм угловых кинематических характеристик так же, как и линейных, среди людей пожилого возраста обнаруживается у меньшего количества испытуемых, чем среди детей 6 лет (табл. 2).
Таблица 2
Проявление ритма угловых кинематических характеристик в группах пожилых людей и детей 6 лет
Угловые кинематические характеристики Тазобедренный сустав (СГ/РЗ) Тазобедренный сустав (ОТ/ПР)
У УС УУ У УС УУ
6 лет 100 84,5 100 100 100 84,5
70 лет 16,6 58,1 41,5 41,5 49,8 58,1
Угловые кинематические характеристики Коленный сустав Голеностопный сустав
У УС УУ У УС УУ
6 лет 100 100 87,8 100 100 54,5
70 лет 58,1 58,1 33,2 24,9 0 16,6
Примечание: У - углы; УС - угловые скорости; УУ - угловые ускорения.
Таким образом, к 70 годам наблюдается разрушение ритма всех кинематических характеристик за исключением изменения координат перемещения головы и изучаемых суставов по оси У, совпадающей с направлением движения. Разрушение ритма кинематических характеристик при ходьбе свидетельствует о разрушение ритма перемещения центра масс и функции постурального контроля. Центр масс при ходьбе перемещается в трех направлениях: в направлении движения тела (поступательное движение) по оси У; вверх-вниз (вертикальные колебания) по оси 2; вправо-влево (боковые раскачивания) по оси Х. Вертикальные колебания происходят при переносе одной ноги вперед во время опоры на другую. Боковые раскачивания наблюдаются при передаче опоры с одной ноги на другую. Разрушение ритма линейных кинематических характеристик перемещения головы плечевого, тазобедренного, коленного и голеностопного суставов по осям Х и 2 в пожилом возрасте позволяет говорить о нарушении ритма вертикального и бокового движения центра масс, что может явиться причиной изменения структуры цикла одиночного шага.
Цикл движений при ходьбе состоит из чередующихся шагов правой и левой ногой. Изучены графические изображения, изменения суставных углов правой ноги в тазобедренном коленном и голеностопном суставе у людей пожилого возраста. Полученные данные сопоставлены с аналогичными результатами их среди детей 6 лет и мужчин 35 лет. Установлено, что в пожилом возрасте происходит разрушение фазы амортизации в коленном суставе при постановке ноги на опору. На графике это отражается частым и резким изменением направления кривой, характеризующей изменение угла в коленном суставе (рис. 2).
Время
Рис. 2. Изменение угла в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах в процессе ходьбы на разных этапах онтогенеза
1 - тазобедренный сустав сгибания разгибания;
2 - тазобедренный сустав отведения приведения;
3 - ;
4 - .
В группах испытуемых 6- и 35-летнего возрастов функция амортизации при постановке стопы на опору явно выражена. Она выполняется суставами стопы и колена. Под действием тяжести и инерции тела нога несколько сгибается в коленном суставе и разгибается в голеностопном суставе при уступающей работе четырехглавой мышцы бедра и мышц заднего отдела голени. Наличие фазы амортизации в цикле шага подтверждается в исследованиях А.С. Аруина и В.М. Зациорского [11]. При изучении динамограммы ходьбы был сделан вывод о том, что условия постановки ноги не являются статическими. На динамограмме это проявляется в наличии положительного всплеска, направленного по ходу движения тела человека.
Одной из проблем реализации ходьбы является амортизация ударных нагрузок для нейтрализации сотрясения туловища и головы. Амортизационная функция человека представляет совокупность голеностопного, коленного, тазобедренного, брюшного, грудного и шейного амортизационных сегментов. Последним амортизационным сегментом является спинномозговая жидкость и мягкая оболочка головного мозга. Разрушение амортизационной функции в пожилом возрасте приводит к изменению структуры движения конечности в цикле одиночного шага (шага одной ногой).
Цикл одиночного шага у испытуемых 6 и 35 лет можно условно разделить на фазу безопорного движения ноги, включающую отрыв ноги от опоры, мах назад и мах вперед, а также опорную фазу движения ноги, включающую постановку ноги на опору, фазу амортизации и отталкивания.
Принципиальным отличием структуры цикла одиночного шага в пожилом возрасте является смена фазы амортизации на фазу статической опоры, характеризующуюся отсутствием сгибания ноги в коленном суставе при взаимодействии стопы с опорой (рис. 3).
Разрушение фазы амортизации, скорее всего, связанно с нарушением генерации постуральных синергий в момент постановки ноги на опору и далее на протяжении всей одноопорной фазы движения ноги, что проявляется в значительном колебании центра масс в вертикальном и горизонтальном направлении. Сохранение равновесия в этих условия является доминирующей задачей. Необходимость гашения колебаний центра масс при нарушении генерации постуральных синергий приводит к разрушению фазы амортизации в коленном суставе и проявлению фазы статической опоры.
С физиологической точки зрения механизм управления ходьбой - это автоматизированный ритмический акт, который обеспечивается синергиями - согласованными во времени и пространстве сокращениями различных групп мышц, продуцирующими целенаправленные координированные содружественные движения. Локомоторные синергии осуществляют перемещение человека в пространстве, а постуральные - поддерживают его равновесие. Генерация локомоторных и постуральных синергий и их адаптация к условиям внешней среды обеспечивается сложной, иерархически организованной системой, в которой можно условно выделить спинальный, стволовомозжечковый, высший (корково-подкорковый) уровни [12].
Входящие в ее состав подсистемы решают 4 основные задачи: поддержание равновесия в вертикальном положении, инициацию ходьбы, генерацию ритмичных шаговых движений, изменение параметров ходьбы в зависимости от цели человека и внешних условий. Спинальные генераторные механизмы находятся под контролем нисходящих корковых и стволово-спинальных путей, которые способствуют инициации ходьбы, обеспечивают тонкую настройку ее параметров. Мозжечок корректирует скорость и амплитуду движений, координирует движения туловища и конечностей, а также различных сегментов одной конечности.
Отрыв ноги от опоры _ ► Мах назад— ► Мах вперед — Постановка ► ноги на опору— ► Статическая опора — ► Отталкивание
Фаза безопорного движения ноги Опорная фаза движения ноги
Отрыв ноги от опоры — Мах назад _ Мах вперед _ Постановка ► ноги на опору — Амортизация _ ^ Отталкивание
Фаза безопорного движения ноги — ► Опорная фаза движения ноги
Рис. 3. Фазовый состав цикла движения правой конечности в ходьбе у детей 6 лет и мужчин 70 лет
Высший уровень регуляции ходьбы в основном обеспечивается корой больших полушарий и связанными с ней подкорковыми структурами. Его основная функция -адаптация постуральных и локомоторных синергий к конкретным условиям окружающей среды [12]. Высший уровень регуляции ходьбы включает две основные подсистемы. Первую подсистему образуют звенья основного моторного корково-подкоркового круга. Начинаясь от различных отделов коры, он последовательно включает нейроны стриатума, паллидума, таламуса и возвращается к дополнительной моторной коре.
Основной компонент второй подсистемы высшего уровня регуляции ходьбы -премоторная кора, через которую реализуются менее автоматизированные движения, инициирующиеся и реализующиеся под влиянием внешних стимулов. Через премотор-ную кору обеспечивается приспособление локомоторных синергий к конкретным условиям внешней среды. Сохранение двигательного навыка при реализации ходьбы и поддержание равновесия невозможны без обратной связи, которую обеспечивает сенсорная информация трех основных модальностей - соматосенсорной, вестибулярной и зрительной [4, 12, 13].
На основе данной информации в задних отделах теменной коры формируется система внутренних представлений об окружающем пространстве, сенсорная информация обобщается и формируется образ окружающего пространства и положения собственного тела в нем. Разрушение данной функции может быть причиной нарушения генерации постуральных и локомоторных синергий [4, 12, 13].
Утрата сенсорных стимулов только одной модальности обычно не приводит к расстройству равновесия или ходьбы, но выпадение двух модальностей существенно нарушает равновесие, а нарушение трех модальностей неизбежно вызывает грубые нарушения равновесия и ходьбы, обычно сопровождающиеся частыми падениями. В этой связи выявленные нами нарушения ритма линейных и угловых кинематических характеристик, а также функции амортизации в коленном суставе при постановке ноги на опору являются начальными признаками разрушения двигательного навыка ходьбы в пожилом возрасте и могут рассматриваться как предпатологические.
Изучение ритма линейных и угловых кинематических характеристик позволяет заключить, что регрессивные изменения двигательной функции характеризуются:
- разрушением ритма линейных кинематических характеристик движений тазобедренного, коленного, голеностопного и плюснефалангового суставов по осям Х и 2;
- разрушением ритма угловых кинематических характеристик движения в тазобедренном, коленном и голеностопном суставе;
- сохранением проявления ритма линейных кинематических характеристик движения тазобедренного коленного, голеностопного и плюснефалангового суставов по оси У;
- проявлением ритма в движении головы и плечевого сустава по осям Х, У;
- нарушением ритма вертикального и бокового движения центра масс тела;
- отличительной чертой структуры цикла одиночного шага в пожилом возрасте является смена фазы амортизации на фазу статической опоры, характеризующуюся отсутствием сгибания ноги в коленном суставе при взаимодействии стопы с опорой;
- разрушение фазы амортизации определяется нарушением генерации постуральных синергий в момент постановки ноги на опору, что проявляется в значительном колебании центра масс в вертикальном и горизонтальном направлении;
- нарушение ритма линейных и угловых кинематических характеристик, а также функции амортизации в коленном суставе при постановке ноги на опору являются первичными признаками разрушения ходьбы как двигательного навыка.
Таким образом, воздействие физических упражнений на снижение темпа регрессивных изменений двигательного навыка ходьбы в пожилом возрасте должно быть на-
правлено на сохранение генерации постуральных синергий, определяющих равновесие тела при постановке ноги на опору и на протяжении всей опорной фазы движения ноги.
:
1. . ., . .
продолжительности жизни. М.: Наука,
1991. 280 с.
2. . ., . .,
. . -
ских характеристик мануальных действий дирижера: материалы Всерос. с междунар. участием конф., 22-24 июня 2012, г. Грозный. Грозный, 2012. C. 124-12Т.
3. . ., . . ,
гармония, адаптация. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 200б. 304 с.
4. Nutt J.C., Marsden C.D., Thompson P.D. Human walking and higher-level gait disorders, particularly in the elderly // Neurology. 1993. Vol. 43. P. 481-484.
5. -
ности мышц при выполнении приседания со штангой в пауэрлифтинге / К.Д. Чермит, . . , . . , . . -// -ного университета. Сер. Естественно. 2О12.
Вып. 1 (98). C. Т1-80.
URL: http://vestnik.adygnet.ru
6. . ., . . -
ни формирования мануальных действий // , -наука и практика: науч.-метод. журнал. , 2О12. C. 12-15.
Т. -
альных действий дирижеров / К.Д. Чермит, . . , . . , . . -// -венного университета. Сер. Естественноматематические и технические науки. 2011. Вып. 4 (91). C. 110-11б.
URL: http://vestnik.adygnet.ru
8.
приседания со штангой в пауэрлифтинге / . . , . . , . . -, . . // -ского государственного университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. 2011. Вып. 4 (91). C. 95-101. URL: http://vestnik.adygnet.ru
9. . ., . . -
матические характеристики мануальных // -го государственного университета. Сер.
. 2О12. . 1.
C. 188-195. URL: http://vestnik.adygnet.ru
References:
1. Gavrilov N.A., Gavrilova N.S. Biology of life. M.: Nauka, 1991. 280 pp.
2. Zabolotniy A.G., Baladzhan A.R., Kuprina
N.K. Classification of basic kinematic characteristics of manual actions of a conductor: materials of the all-Russian conf. with international participation. June 22-24, 2012,
Grozny. Grozny, 2012. P. 124-127.
3. Chermit K.D., Aganyants E.K. Symmetry, harmony, adaptation. Rostov-on-Don: SKNTs VSh publishing house, 2006. 304 pp.
4. Nutt J.C., Marsden C.D., Thompson P.D. Human walking and higher-level gait disorders, particularly in the elderly // Neurology. 1993. Vol. 43. P. 481-484.
5. The classification of the electrobiological activity produced by muscles when performing powerlifting squats / K.D. Chermit, A.G. Zabolotniy, A.V. Shakhanova, A.A. Tkhagova // The Bulletin of the Adyghe State University. Series Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2012. Iss. 1 (98). P. 71-80. URL: http ://vestnik .adygnet.ru
6. Baladzhan A.R., HepMHT K.D. Stages and levels of formation of manual actions of a conductor // Physical culture, sports - science and practice: scient. and method. journal. Krasnodar, 2012. P. 12-15.
7. The electrobiological characteristic of the conductor's manual actions / K.D. Chermit, A.V. Shakhanova, A.N. Baladzhan, A.G. Zabolotniy // The Bulletin of the Adyghe State University. Series Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2011. Iss. 4 (91). P. 110116. URL: http://vestnik.adygnet.ru
8. The electromyographic characteristic of squats in powerlifting / K.D. Chermit, A.V. Shakhanova, A.G. Zabolotniy, A.A. Tkhagova // The Bulletin of the Adyghe State University. Series Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2011. Iss. 4 (91). P. 95-101. URL: http://vestnik.adygnet.ru
9. Chermit K.D., Baladzhan A.N. Base kinematic characteristics of manual actions of the conductor // The Bulletin of the Adyghe State University. Series Pedagogy and Psychology. 2012. Iss. 1. P. 188-195.
URL: http://vestnik.adygnet.ru
10. Гучетль АА. Влияние способов визирования на выполнение одиночного мануального движения детьми старшего дошкольного возраста // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. 2012. Вып. 2 (101). C. 7379. URL: http://vestnik.adygnet.ru
11. Аруин А.С., Зациорский В.М. Эргономи-
. .: -
ние, 1989. 256 с.
12. [Элек^юнный ресурс]. URL:
http ://ilive .com .ua/health/symptoms/nogi/88 03-narusheniya-khodby/
13. Jancovic J. Treatment of dystonia // Lancet Neurol. 2006. Vol. 5. P. 864-872.
10. Guchetl A.A. Influence of ways of vising on performance of the single manual movement by children of the advanced preschool age // The Bulletin of the Adyghe State University. Series Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2012. Iss. 2 (101). P. 73-79. URL: http ://vestnik .adygnet.ru
11. Aruin A.S., Zatsiorskiy V.M. Ergonomic biomechanics. M.: Mashinostroenie, 1989. 256 pp.
12. [Electronic resource]. URL:
http ://ilive .com .ua/health/symptoms/nogi/88 03-narusheniya-khodby/
13. Jancovic J. Treatment of dystonia // Lancet Neurol. 2006. Vol. 5. P. 864-872.
