МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКОМОЦИЙ (24.09.2012)

Автор: Шпаков Алексей Васильевич

В модельных экспериментах разработана методология комплексного исследования параметров локомоций человека с применением идентичных методов регистрации и анализа.

Основные положения, выносимые на защиту:

В условиях невесомости опорная разгрузка является одним из ведущих факторов в развитии изменений биомеханических и электромиографических характеристик локомоций у человека.

Длительное пребывание в невесомости сопровождается увеличением электромиографической стоимости локомоций и изменениями координационной стратегии ходьбы, проявляющимися уменьшением длины двойного шага и величин углов во всех суставах ног.

Локомоторные тренировки являются эффективным средством профилактики двигательных нарушений в длительных космических полетах.

Профилактическая эффективность локомоторных физических тренировок в свою очередь определяется интенсивностью опорных нагрузок.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались: на конференциях молодых ученых, специалистов и студентов ГНЦ РФ-ИМБП РАН (Москва, 2008, 2009, 2012); на научно-практической конференции «Космос и медицина» (Москва, 2007); на 7-м Международном симпозиуме по водной иммерсии (Тарту, 2008); на Всероссийских, с международным участием, конференциях по управлению движением (Петрозаводск, 2008; Великие Луки, 2010; Москва, 2012); на XXXIV академических чтениях по космонавтике (Москва, 2010); на 17-м и 19-м симпозиумах «Человек в космосе» (Москва, 2009; Хьюстон, 2011).

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Диссертация прошла апробацию на заседании секции «Космическая медицина» Ученого совета ГНЦ РФ – ИМБП РАН 8 июня 2012 года.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, результатов собственных исследований, их обсуждения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 7 таблицами и 21 рисунком. Библиографический указатель включает 203 наименования, из них 76 российских и 127 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Организация исследования. Эксперименты проведены с участием 39 человек, 18 из которых составили российские члены экипажей длительных экспедиций на МКС и 21 – испытатели-добровольцы, участники наземных модельных экспериментов («сухая» иммерсия – СИ). В соответствии с Хельсинской декларацией и нормами международного права все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере и возможных неблагоприятных последствиях экспериментальных воздействий и дали письменное согласие на участие в исследованиях. Программы экспериментов были одобрены Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ – ИМБП РАН.

Таблица 1

Структура и объем экспериментального материала

п/п Серия исследований Методы исследования Число испыту-емых Циклограмма исследований

1 Биомеханические и электромиографические характеристики локомоций до и после длительных космических полетов 1. Видеоанализ движений

2. Электромиография 18 До, на 3-и,

7-е и 10-е сутки после КП

2 Влияние 6-суточной «сухой» иммерсии на биомеханические и электромиографические характеристики локомоций 1. Видеоанализ движений

2. Электромиография 6 За 3-е суток до СИ, 6-е сутки СИ

3 Влияние механостимуляции опорных зон стоп и электромиостимуляции на биомеханические и электромиографические характеристики локомоций в условиях 6-суточной «сухой» иммерсии 1. Видеоанализ движений

2. Электромиография

15 За 3-е суток до СИ, 6-е сутки СИ

Общее количество испытуемых – 39 человек

Модели и экспериментальные условия

Длительные космические полеты. В исследованиях с участием космонавтов циклограмма строилась таким образом, чтобы по возможности исключить факторы, влияющие на результаты выполнения локомоторных тестов: интенсивные физические нагрузки накануне обследования, тесты, влияющие на состояние вестибулярной устойчивости. Фоновое обследование проводилось за 30-45 суток до начала КП. В послеполетном периоде тестирование выполняли на 3-и, 7-е и 10-е сутки после завершения КП. Исследования выполнялись на базе РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина.

«Сухая» иммерсия. Согласно результатам ранее проведенных исследований [Е.Б. Шульженко, И.Ф. Виль-Вильямс, 1975], СИ является наиболее близкой наземной моделью микрогравитации по влияниям, оказываемым на двигательную систему, воспроизводя достаточно полно свойственные невесомости гипокинезию, механическую и опорную разгрузку. При проведении СИ испытатель погружается в ванну с водой, будучи отделен от воды свободно плавающей тканью. Температура воды в ванной поддерживалась автоматически на уровне 33,5+1,0оС.

В экспериментах с СИ выполнено три серии исследований: 1) «чистая» СИ (без каких-либо дополнительных воздействий); 2) СИ с применением стимуляции опорных зон стоп («СИ+КОР»); 3) СИ с применением электромиостимуляции мышц ног («СИ+ЭМС»).

Для стимуляции опорных зон стоп использовали компенсатор опорной разгрузки (КОР), разработанный специалистами ОАО НПО «Звезда» совместно с сотрудниками ГНЦ РФ ( ИМБП РАН. С помощью КОР осуществляется пневмомеханическое давление на соответствующие опорные зоны стопы специальными пневмокамерами. Механостимуляция проводилась непосредственно в иммерсионной ванне ежедневного в течение 6 часов по 20 минут каждого часа в режимах медленной (75шаг/мин) и быстрой (120шаг/мин) ходьбы.

Электростимуляция мышц ног обеспечивалась двухканальным высокочастотным электромиостимулятором «Амплидин(ЭСТ». Стимуляционная тренировка m. quadriceps, m. triceps surae и m. tibialis anterior проводилась методом прямого биполярного электрического раздражения мышц [Коц Я.М., Хвилон В.А., 1971].

Процедура исследований. Локомоторные тесты до и после КП, а также в серии «чистой» СИ проводились по следующей схеме. Первоначально подготавливались кожные покровы для наложения ЭМГ-электродов и светоотражающих маркеров. Электромиографический комплекс вместе с блоком питания крепился на поясе испытуемого и не оказывал каких-либо помех выполнению движений. Локомоторный тест выполнялся с одновременной регистрацией видеоизображения и электрической активности мышц голени (m. gastrocnemius caput mediale, m. soleus, m. tibialis anterior). Испытуемые выполняли ходьбу по жесткой опоре в заданном темпе 90 шаг/мин. В каждом тестировании испытуемые выполняли 5-10 попыток ходьбы в заданном темпе.

В сериях «СИ+КОР» и «СИ+ЭМС» тестирование осуществляли на беговой дорожке «H/P COSMOS Mercury-4.0». Определяли скорость ходьбы для темпа 60 и 120 шаг/мин индивидуально для каждого испытуемого. Затем выполняли тестирование с регистрацией биомеханических и электромиографических характеристик локомоций. Сначала данные регистрировали в режиме медленной ходьбы (60 шаг/мин). Затем, без остановки полотна дорожки, выполняли регистрацию данных в режиме быстрой ходьбы (120 шаг/мин). Для каждого режима записывалось от 5 до 7 отрезков ходьбы длительностью 20 секунд.

Регистрируемые и анализируемые параметры. Электромиографическую активность мышц голени (m. tibialis anterior, m. gastrocnemius medialis, m. soleus) регистрировали поверхностными Ag/AgCl электродами, располагавшимися вдоль мышечного брюшка. Расстояние между электродами составляло 20-25 мм. Для регистрации ЭМГ использовали телеметрический 8-канальный электромиограф «MuscleLab 4000e». Система «MuscleLab 4000e» записывает аналоговый сигнал, преобразует его в RMS-сигнал, усредняет за 10 мс и передает с частотой 100 Гц. При обработке инвертированной ЭМГ применяли сглаживание низкочастотным фильтром Баттерворта 2-го порядка [Basmajian J.V., 1979]. В сериях «СИ+КОР» и «СИ+ЭМС» использовали электромиограф «MegaWin» Электромиографический сигнал интегрировали и рассчитывали среднее значение и стандартное отклонение за 13-15 двойных шагов. Конечными параметрами при обработке ЭМГ являлись максимальная амплитуда ЭМГ (Amax), площадь огибающей электромиограммы мышц голени и электромиографическая стоимость (ЭМГ-С), которая определялась величиной максимальной амплитуды ЭМГ, нормализованной на время двойного шага.

Биомеханические характеристики ходьбы до и после длительных КП, а также в серии «чистой» СИ регистрировали с использованием системы видеоанализа «Видеоанализ-Биософт 3D». Видеосъемку производили двумя цифровыми видеокамерами «Basler» с частотой регистрации 50 Гц. В сериях «СИ+КОР» и «СИ+ЭМС» использовали систему видеоанализа «Qualisys Motion Capture System» Видеосъемка производили четырьмя инфракрасными камерами «Oqus» с частотой регистрации 60 Гц.

Расчет углов в суставах. Угол в тазобедренном суставе рассчитывали между продольными осями туловища и бедра со стороны вентральной поверхности тела, в коленном суставе – между продольными осями бедра и голени с дорсальной стороны, в голеностопном суставе – между продольными осями голени и стопы со стороны передней поверхности голени и тыльной поверхности стопы. Длину двойного шага определяли по перемещению продольной координаты Y маркера голеностопного сустава от постановки стопы (начало шага) до постановки стопы (начало следующего шага).

Методика обработки биомеханических характеристик в цикле двойного шага. При обработке данных анализировали величины межзвенных углов в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, длину двойного шага. В связи с вариативностью биомеханических характеристик анализировали параметры 3 – 5 последовательных шагов, принимая их за 100%, переходили от абсолютных временных величин к относительным. В каждой относительно-временной точке значения полученных характеристик усредняли.

Анализ величин углов в суставах ног проводили при постановке стопы на опору в начале шага; в фазе отталкивания; в фазе маха.

Статистическую обработку результатов исследований проводилась с использование программы «STATISTICA-8». Достоверность различий пред- и послеполетных показателей определяли с использованием непараметрического критерия Уилкоксона. Для выявления различий между группами использовали непараметрический критерий Манна-Уитни. Достоверными принимали различия при р<0,05.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Биомеханические и электромиографические характеристики локомоций до и после длительных космических полетов.


загрузка...