CC BY
24ТРЕХОСЕВАЯ БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ КОЛЕННОГО СУСТАВА В ПРОЦЕССЕ ВСТАВАНИЯ
УДК/UDC 796.01:577.01
Поступила в редакцию 12.02.2015 г.
Аспирант Р.О. Солодилов1
Доктор биологических наук, профессор С.И. Логинов1
1 Сургутский государственный университет ХМАО-Югры, Сургут
THREE-AXIS BIOMECHANICAL MODEL OF KNEE JOINT MOTION WHEN STANDING UP
Postgraduate R.O. Solodilov1
Dr.Biol., Professor S.I. Loginov1
1 Surgut State University KhMAR-Yugra, Surgut
Информация для связи с автором: [email protected]
Аннотация
В статье представлен метод регистрации биомеханических показателей у спортсменов и пациентов с остеоартрозом на основе биологической обратной связи. Целью исследования стало построение трехосевой биомеханической модели коленного сустава в процессе вставания у индивидов в возрасте 40-65 лет. Использовался метод безмаркерной системы захвата движения. Контингент испытуемых составили 42 здоровых индивида (контрольная группа - КГ) и 31 пациент с остеоартрозом коленного сустава в возрасте 40-65 лет (экспериментальная группа - ЭГ). В результате исследования были зафиксированы существенные различия во времени выполнения тестов вставания между ЭГ и КГ. ЭГ в среднем необходимо больше времени на выполнение первой и второй фаз, 0,79±0,04 с (37 % нормализированного времени - НВ) и 0,41±0,03 с (19 % НВ) соответственно. КГ на выполнение тех же фаз требовалось 0,66±0,04 с (30 % НВ) и 0,33±0,03 с (16 % НВ) (р<0,05). Обнаружены также различия в кинематике коленного сустава здоровых и больных участников исследования. Биомеханическая модель локомоций коленного сустава корректно регистрирует временные и биомеханические показатели поведения коленного сустава в норме и при нарушениях, что позволяет использовать ее при проведении реабилитационных мероприятий.
Ключевые слова: биомеханика, остеоартроз, коленный сустав, безмаркерная система захвата движения.
Annotation
The method for defining biomechanical characteristics of athletes and patients with osteoarthritis based on biofeedback was presented in the paper. The purpose of the present study was to design a three-axis biomechanical model of the knee joint when standing up in 40-65 year-olds. The method of markerless motion capture system was applied. The study involved 42 healthy persons (control group - CG) and 31 patients with osteoarthritis of the knee at the age of 40-65 years (experimental group - EG).
As a result of the studies significant differences in the run-time in stand up tests were detected between the experimental and control groups. Athletes of the experimental group usually needed more time to perform the first and second phases, 0,79 ± 0,04 sec (37% of normalized time - NT) and 0,41 ± 0,03 sec (19% of NT), respectively. Those from the control group needed 0,66 ± 0,04 sec (30% NT) and 0,33 ± 0,03 sec (16% NT) to perform the same phases (p<0,05). The differences were also found in the kinematics of the knee joint in healthy and diseased subjects of the study. The biomechanical model of the knee joint locomotions correctly records the time and biomechanical characteristics of functioning of the knee joint in health and disease, so it can be used during rehabilitation.
Keywords: biomechanics, osteoarthritis, knee joint, markerless motion capture system.
Введение. Безмаркерная технология захвата движения за последние несколько лет сделала большой шаг вперед, пройдя путь от дорогого профессионального оборудования до продукта, доступного практически каждому исследователю. За последние несколько лет с запуском Microsoft Kinect для раскрытия потенциала использования этой технологии исследователи всего мира были крайне заинтересованы в разработке приложений к этому устройству. Сфера его применения варьируется от оценки биомеханических показателей у спортсменов до проведения реабилитационных мероприятий, основанных на биологической обратной связи. Microsoft Kinect представляет собой недорогой (всего $110 на момент написания статьи) и перспективный заменитель сравнительно дорогих маркерных систем захвата движения.
Возможность для человека беспрепятственно выполнять простые, повседневные действия (например, вставание со стула) - важный показатель уровня функциональной неза-
висимости и уровня жизни в целом. Биомеханический анализ теста сесть-встать был предпринят в различных условиях, с привлечением разных контингентов испытуемых, однако работ, посвященных изучению биомеханики поведения нижней конечности у людей, страдающих остеоартрозом, на сегодняшний день недостаточно.
Цель данного исследования - разработка трехосевой биомеханической модели коленного сустава в процессе вставания у индивидов в возрасте 40-65 лет, не имеющих симптоматических признаков остеоартроза коленного сустава (ОКС).
Методика и организация исследования. В исследовании приняли участие 42 здоровых человека без видимых симптоматических признаков ОКС (контрольная группа - КГ) и 31 человек с ОКС (экспериментальная группа - ЭГ) в возрасте 40-65 лет (табл. 1).
После проведения соответствия критериям включения и исключения (табл. 2) в КГ осталось 30, в ЭГ - 26 (табл. 3).
Биомеханический анализ вставания был проведен с использованием бесконтактного сенсорного контроллера «Kinect», оснащенного системой захвата движения и специально разработанного программного обеспечения. Участники выполняли вставание со стула, высота которого была отрегулирована на уровне 110 % от высоты коленей, руки в скрещенном положении на уровне груди. Положение ступней и лодыжек было естественным.
Для более точной фиксации времени подъема к сиденью стула был прикреплен контактный выключатель. Скорость выполнения теста оставалась на усмотрении участников. Бесконтактный сенсор располагался на триподе высотой 80 см, расстояние от сенсора до стула составляло 210 см. Весь цикл движения был разбит на 3 фазы, фазы - на четыре события (t1-t4) (рис. 1). Начало движения было определено как момент, когда торс в сагиттальной плоскости отклонялся на 1 градус и более. Конец движения определялся как момент, когда угловая скорость тазобедренного сустава достигает 0 град./с.
Цикл движения был нормализован следующим образом: 0 % - начало теста, 100 % - его конец (см. рис. 1). Углы суставов нижних конечностей были подсчитаны при помощи программного обеспечения «Brekel Pro Body». Данное программное обеспечение позволяет производить захват движений скелета человека с помощью расчетов Microsoft SDK. Данные сохраняются в формате CSV с позиции трех степеней свободы XYZ каждого сустава по отношению к датчику.
Время выполнения (%)
Рис. 1. Фазы вставания
Фаза I - фаза опоры; фаза II - фаза передачи импульса; фаза III - фаза стабилизации. t1 - старт (туловище отклоняется на 1 градус или более), t2 - вставание (контактные выключатели на стуле выключаются), t3 - максимальное сгибание голеностопного сустава, t4 - конец (угловая скорость тазобедренного сустава равняется 0 град./с)
Первая степень свободы связана с поперечной осью X, по отношению к которой происходят движения сгибания и разгибания в сагиттальной плоскости. Вторая степень свободы коленного сустава связана с ротацией вокруг продольной оси голени Y при согнутом коленном суставе. Ось Z идет спереди назад и перпендикулярно к двум другим осям. Эта ось не является третьей степенью свободы, но благодаря наличию некоторого механического колебания в суставе, обеспеченного расслаблением латеральных связок, по отношению к ней происходят боковые движения при согнутом колене (в пределах 1-2 см, если измерять на уровне голеностопного сустава). В положении полного разгибания эти движения исчезают из-за натяжения латеральных связок, и их сохранение, как правило, указывает на наличие патологии связок [2].
Статистический анализ проводили при помощи программного пакета Statistica 10 (StatSoft, Инк., США). Рассчитывали среднее <X> и стандартное <SD> отклонения. Данные КГ были усреднены и стандартизированы.
Результаты исследования и их обсуждение. Временные характеристики. КГ в среднем нужно 1,83±0,12 с на выполнение теста. Этот показатель значительно меньше времени, которое показала ЭГ при выполнении этого же теста, - 2,03±0,14 с. ЭГ в среднем необходимо больше времени на выполнение первой и второй фаз - 0,79±0,04 с (37 % нормализированного времени - НВ и 0,41±0,03 с (19 % НВ) соответственно. В то же время КГ на выполнение тех же фаз требовалось 0,66±0,04 с (30 % НВ) и 0,33±0,03 с (16 % НВ).
Кинематика. Нами были зафиксированы значительные различия между биомеханической моделью и показателями человека страдающим остеоартрозом (ОА) коленного сустава.
По оси X значительные различия были зафиксированы в I и III фазах. При выполнении разгибания коленный сустав человека с ОА изначально был поставлен под большим углом (рис. 2). По оси Y различия зафиксированы в конце III фазы (рис. 3).
По оси Z различия были зафиксированы во всех трех фазах. На протяжении всего теста коленный сустав был повернут наружу. Кроме того, более сильное отведение было зафиксировано во II и III фазах (рис. 4).
Таблица 1. Данные участников исследования
Показатели n Экспериментальная группа Контрольная группа
Количество участников 73 31 42
Возраст 40-65 40-65 40-65
Средний возраст (Бй) 56,0 (6,4) 51,0 (6,7)
Мужчины 22 7 15
Женщины 51 24 27
Рост, м (Бй) 1,66 (0,05) 1,66 (0,05) 1,66 (0,06)
Вес, кг (Бй) 65,4 (9,8) 63,7 (9,1) 66,6 (10,3)
Таблица 2. Критерии включения и исключения
ai □
и
га у
г.
ч—
. О OJ
га
V-
■ -О С
га
^
О (U ■С
I—
Критерии включения Экспериментальная группа Контрольная группа
Возраст 40-65 лет + +
Диапазон сгибания колена ± 90 гр. + +
Способность самостоятельно передвигаться на расстояние >15 м без вспомога-
тельных устройств + +
Способность самостоятельно вставать со стандартного стула не менее 5 раз без
использования рук* + +
Наличие болевых ощущений в колене более одного месяца + -
Билатеральная боль в коленях + -
Критерии исключения Экспериментальная группа Контрольная группа
Неврологические заболевания или заболевания ОДА, которые могут повлиять на + +
результаты теста
Заболевания разгибательного механизма колена + +
Беременность + +
Кортикостероидные инъекции колена за последние 3 месяца + +
*Высота стандартного стула - 44 см.
Таблица 3. Данные участников исследования после процедуры отбора
Показатели Экспериментальная группа: включение Экспериментальная группа: исключение Контрольная группа: вкл. Контрольная группа: искл.
Количество 25 6 30 12
Возраст 42-65 42-64 41-65 40-61
Средний возраст (Бй) 56,1 (5,8) 55,8(9,2) 51,6 (7,1) 49,3 (6,3)
Мужчины Женщины 7 18 0 6 11 19 4 8
Рост, м (Бй) 1,67 (0,05) 1,64 (0,04) 1,66 (0,06) 1,66 (0,07)
Вес, кг (Бй) 64,6 (9,9) 59,9 (2,5) 66,2 (10,6) 67,5 (9,8)
На сегодняшний день ОА является одним из самых распространенных заболеваний как в России, так и за рубежом. По данным широкомасштабного исследования, проведенного в 7 городах бывшего СССР, ОА был выявлен у 6,43 % обследованных [1]. В целом в различных странах распространенность ОА широко варьируется. В США, например, более 26,9 млн людей старше 25 лет страдают от этого недуга, что составляет примерно 8,4 % населения [7].
В повседневной жизни и спорте чаще всего под воздействие ОА попадает коленный сустав, что значительно ограничивает дееспособность человека в его повседневной жизни [1, 7, 8]. Исследование, проведенное H. H. Huberti и W. C. Hayes, показало, что у людей с увеличенной коленной вальгусной или варусной деформацией наблюдались деградирующие изменения и в тазобедренном суставе, что способствовало увеличению напряженности в коленном суставе [6]. Высокое суставное напряжение - это результат развития и прогрес-сирования ОА в коленном суставе [4]. Напряжение коленного сустава усиливается во время принудительного сгибания колена, так как противодействующая сила коленного сустава достигает своего пика при выполнении действий, которые включают в себя принудительное сокращение четырехглавой мышцы бедра в тот момент, когда коленный сустав наиболее сильно изгибается [13]. Таким образом, нагрузка на коленный сустав при подъеме по наклонной поверхности равняется 0,5 от массы тела, в то время как при вставании со стула нагрузка на коленный сустав составляет 6,7 от массы тела [5].
Нами зафиксированы существенные различия во времени выполнения тестов между ЭГ и КГ. Так, ЭГ нужно больше времени на выполнение I и II фаз движения. Среднее время
Рис. 2. Сравнение биомеханической модели (А) и биомеханических показателей разгибательного механизма коленного сустава (Б) у мужчины 58 лет с ОА коленного сустава
Рис. 3. Сравнение биомеханической модели (А) и биомеханических показателей ротации коленного сустава у мужчины 58 лет с ОА коленного сустава (Б)
Рис. 4. Сравнение биомеханической модели (А) и биомеханических показателей «боковых движений» коленного сустава у мужчины 58 лет с ОА коленного сустава (Б)
выполнения, которое показала ЭГ в наших исследованиях, было меньше, чем время ЭГ в работе Ра1 е1 а1. [11]. Различия могли быть вызваны разницей в высоте табурета. Табурет, используемый Ра1 е1 а1. [11], имел фиксированную высоту, равную 45 см, в то время как высота табурета, использованного в нашем исследовании, регулировалась на высоту, равную 110 % от высоты коленей участников, и составила 49±2 см (теап±Бй). Это было сделано для того, чтобы контролировать разницу в массе тела и длине нижних конечностей. Более высокая скорость выполнения теста могла быть вызвана тем, что участники исследования ЭГ у Ра1 и соавт. имели 2-ю и 3-ю степени ОА, тогда как у наших участников была только 1-я степень. Кроме того, в нашем исследовании участники обеих групп были моложе участников исследования Ра1 и соавт. [11]: средний возраст участников нашего исследования (в ЭГ и КГ) составлял 56,1 (5,8) и 51,6 (7,1) года соответственно (диапазон - 41-65 лет), тогда как у Ра1 и соавт. - 69,6 (4,6) и 70,7 (5,4) года (теап, Бй) (диапазон - 64-78 лет).
Различия между группами были выявлены и при биомеханическом анализе и зафиксированы во всех трех плоскостях коленного сустава. При выполнении теста коленный сустав у участников ЭГ находился под большим углом, чем у КГ, данное различие было зафиксировано в начале и в конце выполнения теста. Данное положение может вызвать небольшое смещение вперед центра тяжести и потенциально сократить силу, сгенерированную четырехглавыми мышцами (ЧГМ) для поддержания экстензии колена, сокращая, таким образом, противодействующую силу и уменьшая болевые ощущения в коленном суставе. Также нами было выявлено, что у испытуемых из ЭГ более выражено отведение колена наружу. Сохранение большого отведения коленного сустава в сторону к моменту окончания теста говорит о наличии патологии в связках коленного сустава. Большое отклонение коленного сустава от нормы увеличивает вектор вальгуса ЧГМ, что вызывает увеличение латерально направленного усилия ЧГМ. Изменение ориентации ЧГМ способствует увеличению суставной нагрузки на коленный сустав и увеличивает нагрузку на хрящ латеральной грани надколенной чашечки [6]. Увеличение такой нагрузки на сустав можно рассматривать как один из главных факторов развития и прогрессирова-ния ОА коленного сустава [3, 10, 12]. Увеличенная нагрузка
на латеральную надколенную суставную поверхность может пагубно влиять на надколенный хрящ во время подъема, так как данное положение требует увеличения силы сокращения ЧГМ. Нами также была зафиксирована небольшая наружная ротация в конце выполнения теста. Увеличенная наружная ротация может также указывать на наличие ОА коленного сустава [9]. В дальнейших исследованиях нами планируется определить, является ли поддержание коленного сустава в менее отведенном положении фактором, при котором нагрузка на него при выполнении вставания будет меньше.
Вывод. Представленная биомеханическая модель локо-моций коленного сустава человека с помощью безмаркерной системы захвата движений позволяет вполне корректно регистрировать скорость движения в разные фазы вставания и регистрировать биомеханические показатели поведения коленного сустава в норме и при нарушениях и на этой основе научно обоснованно проводить реабилитационные мероприятия. При помощи данного метода возможна разработка моделей, направленных на изучение биомеханических показателей не только в сфере реабилитации, но и в сфере физической культуры и спорта для оценки и регистрации правильности выполнения различных физических упражнений.
Литература
1. Беневоленская Л.И. Эпидемиология ревматических болезней / Л.И. Беневоленская, М.М. Бржезовский. - М.: Медицина, 1988. - 237 с.
2. Капанджи А.И. Коленный сустав / А.И. Капанджи. // Функциональная анатомия. Нижняя конечность. - 2006. - 6-е изд. - М.: Эксмо, 2009. - С. 80.
References
1. Benevolenskaya L.I. Epidemiologiya revmaticheskikh bolezney (Epidemiology of rheumatic diseases) / L.I. Benevolenskaya, M.M.
Brzhezovskiy - Moscow: Meditsina, 1988. - 237 P.
2. Kapandzhi, A.I. Kolenny sustav (Knee joint) / A.I. Kapandzhi // Funktsional'naya anatomiya. Nizhnyaya konechnost' (Functional anatomy. Lower limb). - 2006. - 6th ed. - Moscow: Eksmo, 2009. - P. 80.
3. Cahue, S., Dunlop, D., Hayes, K., Song, J., Torres, L., Sharma, L. Var-usvalgus alignment in the progression of patellofemoral osteoarthritis. Arthritis Rheum. 2004; 50: 2184 2190.
4. Cooper, C. Mechanical and constitutional risk factors for symptomatic knee osteoarthritis: differences between medial tibiofemoral and patellofemoral disease. / C. Cooper, T. McAlindon, S. Snow, K. Vines, K. Young [et al.]. // J. Rheumatol. - 1994. - V. 21. - P. 307-313.
5. Fulkerson, J.P. Biomechanics of the patellofemoral joint. In: Disorders of the Patellofemoral Joint. 4th ed. Philadelphia, Pa: Lippincott Williams & Wilkins. 2004. - P. 24-42.
6. Huberti, H.H., Hayes, W.C. Patellofemoral contact pressures. The influence of Q-angle and tendofemoral contact. J Bone Joint Surg. 1984; 66A: 715-724.
7. Lawrence, R.C. Estimates of the prevalence of arthritis and other rheumatic conditions in the United States / R.C. Lawrence, D.T. Felson, C.G. Helmick, L.M. Arnold [et al.]. // Arthritis Rheum. - 2008.
- V. 58. - P. 26-35.
8. McAlindon, T.E. Radiographic patterns of osteoarthritis of the knee joint in the community: the importance of the patellofemoral joint. / T.E. McAlindon, S. Snow, C.Cooper, P.A. Dieppe. // Ann. Rheum. Dis.
- 1992. - V. 51. - P. 844-849.
9. Nagamine, R., Miura, H., Inoue, Y., Tanaka, K., Urabe, K., Okamoto, Y., Nishizawa, M., Iwamoto, Y. Malposition of the tibial tubercle during flexion in knees with patellofemoral arthritis. Skeletal Radiol. 1997; 26: 597-601.
10. Oatis, C.A. Analysis of the forces on the knee during activity. In: Kinesiology: The Mechanics and Pathomechanics of Human Movement. Philadelphia, Pa: Lippincott Williams & Wilkins; 2004: 761-773.
11. Pai, Y.-C. Alteration in multijoint dynamics in patients with bilateral knee osteoarthritis. / Y.-C. Pai, H.J. Chang, R.W. Chang, J.M. Sina-core, J.L. Lewis. // Arthritis Rheum. 1994. - V. 37. - P. 1297-1304.
12. Sharma, L., Song, J., Felson, D.T., Cahue, S., Shamiyeh, E., Dunlop, D.D. The role of knee alignment in disease progression and functional decline in knee osteoarthritis. JAMA. 2001; 286: 188-195.
13. Wallace, D.A. Patellofemoral joint kinetics while squatting with and without an external load. / D.A. Wallace, G.J. Salem, R. Salinas, C.M. Powers. // J. Orthop. Sports Phys. Ther. - 2002. - V. 32. - P. 141-148.
ИЗ ПОРТФЕЛЯ РЕДАКЦИИ
□
и
га у
г.
ч—
. О OJ
■ -О
с
га
^
О (U ■С
Н
РАЗВИТИЕ ИНТЕНЦИОННОГО КОМПОНЕНТА МОТИВАЦИИ -ВЕДУЩИЙ ФАКТОР ПРИОБЩЕНИЯ СТУДЕНТОВ К ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
УДК/UDC 796.01:159.9 Поступила в редакцию 10.03. 2015 г.
Аспирант С.Г. Сагадеева1 Аспирант А.Ю. Николаев1
1 Сургутский государственный университет, Сургут
Ключевые слова: физическая активность, мотивация, интенция.
Введение. Приобщение студентов к регулярным занятиям физическими упражнениями порождает противоречие между намерением тренироваться - интенцией и реализацией этого намерения на практике - действием [13]. Возникает вопрос, как преодолеть это затруднение.
Цель исследования - выявить эффекты управляющего психолого-педагогического воздействия (УППВ) на уровень физической активности и степень приобщения студентов к регулярным занятиям физическими упражнениями (ФУ) с использованием транстеоретической модели (ТТМ).
Методика и организация исследования. В работе приняли участие 1094 студента, из которых 425 юношей и 532 девушки целиком заполнили опросник ТТМ в начале и в конце психолого-педагогического воздействия.
Результаты исследования и их обсуждение. До УППВ 10 % всех студентов независимо от пола не занимались и не собирались заниматься ФУ (стадия 1, неосознанность);
не выполняли ФУ 31 0% студентов, но собирались заниматься ими в ближайшие полгода (стадия 2, осознание); 21 0% студентов занимались ФУ от случая к случаю (стадия 3, подготовка); каждый пятый студент занимался регулярно, но менее чем полгода (стадия 4, действие) и только 18 % студентов занимались ФУ регулярно более чем полгода (стадия 5, поддержание). После УППВ картина распределения выглядела следующим образом: 12, 12, 16, 26 и 34 0% соответственно. В контрольной группе количество студентов по стадиям распределилось так: 14, 26, 20, 19 и 20 0%.
Вывод. Под влиянием УППВ доля студентов, ведущих физически низкоактивный образ жизни, уменьшилась с 65 до 43 0%. Самоэффективность студентов, отражающая интенцию, увеличивалась от стадии к стадии мотивационной готовности как до, так и после УППВ.
Литература
1. Логинов С.И. Физическая активность студентов на Севере и стадии изменения поведения, связанного с выполнением физических упражнений / С.И. Логинов // Теория и практика физ. культуры. - Сургут, 2005. - 344 с.
Информация для связи с автором: [email protected]
