10.Методи за биомеханични изследвания

Биомеханичните изследвания се провеждат :

      - в условията на научна лаборатория, където на подходящо техническо средство (бягаща пътека, ергометър, силоизмерителна платформа, тренажор) атлетът изпълнява движения, които са близки и характерни за неговия спорт

      -„на терена”, където се изследва реалното спортно изпълнение.

И в двата случая са приложими два метода на изследване : директен (контактен) и индиректен. Директен е този метод, при който тялото на спортиста е в контакт със средството за измерване на биомеханични параметри. Индиректният метод се реализира чрез видеокамера или радиолокационно измерване.                                                                                        

Измерване на големи премествания на спортиста

Позициониране на координатите на спортиста чрез GPS системи

GPS позиционирането на координатите на спортиста няма ограничение на размерите на полето за наблюдение и анализ. Точността достига 1-3 метра и при измерване на преместването в рамките на района грешката е с постоянна стойност и може да се направи добър сравнителен анализ между различни спортисти. Използва се при ски-спорт, туризъм-ориентиране, лека атлетика – маратон, ветроходство и др.

Измерване на средни премествания на тялото на спортиста (директно)

Електрогониометрия в едно или повече направления – измерване на ъглите между две съседни звена чрез датчик за ъглово преместване – използва се при изследване на гъвкавост

 

Електрогониометрия

трикомпонентната акселерометрия позволява незабавно изчисляване на F = m х a

устройство на трикомпонентен пиезоелектричен датчик на сила –

измерва в три направления

 
Functional principle of a  multicomponent force plate Charge Amplifier

Трикомпонентн акселерометрия

Измерване на средни премествания – индиректни методи с широко приложение

Видеометричен метод

Видеометричен – същността му е локализиране на координатите чрез три видеокамери и покадрово изчисляване на визуалното преместване на характерни предварително избрани точки разположени върху тялото на спортиста (при двумерен видеоанализ наблюдаваното поле е ограничено до зрителния ъгъл на видеокамерата – при съотношение на видеокадъра 4:3 в метри, а при тримерно изследване чрез две видеокамери разположени под прав ъгъл наблюдаваното поле е 2 х 2 метра). Точността е ограничена от разделителната способност на видеозаписа – при запис върху видеокасета mini DV - 720х576. Ако размерите на наблюдаваното поле са 4х3 метра, то в хоризонтала на 1 м отговарят 180 точки и точността е в границите на 5-6 мм, а във вертикала на 1 м съответстват 192 точки и точността е също в рамките на 5-6 мм. В търговската мрежа вече са налице видеокамери от ново поколение, които записват върху харддиск поставен в корпуса й с повишена разделителна способност достигаща до 1920 точки в хоризонтала и 1280 във вертикала. Формата на видеоизображението е с променени характеристики и се нарича телевизия с висока разделителна способност - HD (high definition tv).

.

         Примерни графики на скорости

Панел за видеометричен анализ

Съвременните дигитални видеокамери се характеризират с нормална скорост 25 кадъра в секунда или високоскоростни над 25 кадъра – например 200 кадъра (fps). В Европа се ползва телевизионният стандарт PAL (25 кадъра), а в САЩ – NTSC (30 кадъра). От дигитални видеокамери с нормална скорост подходящи са тези със записване върху видеокасета mini DV или върху вграден харддиск във видеокамерата. Високоскоростната видеокамера е тази, която заснема събитието с висока кадрова скорост и възпроизвежда заснетия материал със значително по-ниска скорост. Единична видеокамера поставена върху статив се използва при заснемане в една равнина – фронталната. При сложни въртеливи движения се поставят две видеокамери перпендикулярно и трета високоскоростна видеокамера – фронтално. Върху характерни предварително избрани точки (ставните центрове) се поставят маркери. Чрез покадрово проследяване координатите на преместването им в течение на времето се записват в компютър и чрез софтуера дават възможност за определяне на траекториите на изследваните точки, кинематичните показатели път, скорост, ускорение, а чрез тях  и изясняване на цялостната кинематична структура на движението на спортиста. В равнината на заснемане се поставя „лата” – предварително известен размер за калибриране на изследването. Чрез въвеждане на габаритите му координатите на точките от екрана се преизчисляват мащабно и получават реалния си физически еквивалент в метри, съответстващ на метричната система СИ. При тримерен видеоанализ - “3D” се заснема конструкция от няколко контролни размера закрепени неподвижно под ъгъл, така че да образуват пространствен куб. Обикновено допустимата точност на изследването при тримерен видеоанализ се ограничава в сфера с диаметър около 2 метра (повече подробности за оптикометричните триизмерни методи за изследване може да се намерят в раздела "Биомеханика Магистри").

Съществуват софтуерни модули за ръчно и автоматично проследяване на маркираните точки и записване на координатите. В първия случай чрез насочване на стрелката и кликване на мишката изследователят посочва маркираните точки, които представляват интерес за проследяване (например ставни центрове) .Във втория случай ако веднъж е разпознат един маркер, системата проследява автоматично маркираната точка, докато е видима в избраната поредица от видеокадри. Ако маркерът се скрие, системата спира проследяването. Тогава или се пропускат кадрите, в които точката е невидима, или трябва да се прецени къде се намира и ръчно чрез кликване на мишката да бъде посочена. Щом разпознае отново маркера системата продължава автоматично да го проследява. Модулът за автоматично проследяване и локализиране на положенията на маркираните точки изисква минимална намеса от страна на потребителя. Възможно е и безмаркерно проследяване на посочените от оператора характерни точки с функцията „pattern matching” . Чрез нея алгоритъмът  автоматично „улавя” движенията, когато не могат да се използват маркери - по време на състезание. Повечето видеосистеми за анализ позволяват възпроизвеждане на заснетото изпълнение с различни скорости. Съотношението между скоростта на заснемане и възпроизвеждане определя параметъра времеувеличение (time magnification). Ако например заснетият с 200 fps материал е възпроизведен с 25 fps времеувеличението ще бъде 200 fps : 25 fps = 8 : 1. Това означава, че движението се забавя при възпроизвеждането 8 пъти – 1 сек. е равна на 8 сек.

Възпроизвеждане на заснетото изпълнение

Траектории на изследваните точки

Друга възможност за визуална оценка на спортното изпълнение дава функцията видеомиксиране, чрез която се наслагват образи, така че да се илюстрира разликата в две  и повече от две изпълнения :

Видеомиксиране

Този метод е използван в спортната гимнастика за сравняване преноса на двигателен навик при упражнения от един и същ характер, изпълнявани на различни уреди – например склопка на успоредка, халки и висилка или сравнение на двигателната дейност при състезания в ски-алпийски дисциплини, както е показано на фигурата.

Измерване на малки (визуално незабележими) премествания на тялото

Измерването на малки (визуално незабележими) премествания на тялото и звена от него се извършва чрез статична стабилометрия върху динамометрична платформа за компютърен анализ на равновесието при балансови упражнения. Изследването на показателите на равновесната устойчивост в поза и при ходене се извършва чрез платформи регистриращи отклоненията на проекцията на ОЦТ спрямо опорната площ. Изучаването на баланса на тялото на човека в основна стойка, ходене и при други преходни процеси се извършва от постурологията (posturology). Тази специалност се е появила след разработката на стабилометричните платформи – устройства позволяващи регистрирането на движението на проекцията на ОЦТ с течение на времето на стоящия върху плота на платформата спортист. Методът се нарича стабилометрия (стабилография).

Gait analysis laboratory with infrared cameras and force plates (Source: BTS Bioengineering, Italy) 

Стабилометрична платформа за изследване на равновесна устойчивост

Графика на движението проекцията на ОЦТ

Площ на проекцията на ОЦТ     Проекция на ОЦТ ранжирана по амплитуди

Статичната стабилометрия представлява тестове за равновесие, които се извършват след неподвижно заставане върху платформата и използване на средства за понижаване на устойчивостта, например заставане на един крак, тестове при затворени очи и др. За запазване на равновесието тялото  непрекъснато извършва колебателни движения с неголяма визуално незабележима за околните наблюдатели амплитуда ( големина на площта върху опората обходена от проекцията на ОЦТ). Теглото на тялото последователно се пренася от единия върху другия крак. Амплитудата на колебанията се увеличава при закриване на зрението или заставане на един крак. Честотата на колебанията (според литературни източници) е от 0.2 до 5 колебания (Hz) в секунда. Продължителносттта на измерването е  минимум 10 сек. до получаване на 650 – 700 стойности за движението на проекцията на ОЦТ спрямо плота. Чрез специализиран софтуер се изчислява средното отклонение равно на хоризонталната страна на правоъгълника еднакъв по площ със заградената от графиката. Фигурата представлява подреждане (ранжиране) на амплитудите на движение на проекцията  на ОЦТ по големина.

Измерване на скорост - (доплерова спидометрия)

Ефектът на Доплер се изразява в промяната на честотата на вълните породена от движението на източника или на приемника.

Честотата достигнала до приемника намалява съгласно формулата:

- цифрово измерване на скоростта на топката в тениса - уредът се нарича доплеров измервател на скорост, който може да измерва и отчита цифрово скоростта на движещия се срещу СВЧ антената обект

            - радиолокационен метод -  рупорът на излъчвателя се поставя зад стартовото блокче на състезателя и моментната скорост се измерва на разстояние до 30 метра от антената за СВЧ излъчване. Колебанията на скоростта на бягане предизвикват промени в честотата на излъчения и приетия сигнал. Тя се преобразува в звук с променлив тон. Височината на тона съответства на по-голяма скорост.

       

Доплерово измерване на скорост                             

На фигурата са показани измерване на моментната скорост на бягане в спринтови дисциплини.

Измерване на ускорение - трикомпонентна акселерометрия, сеизмичен датчик

Измерване на времеви характеристики – продължителност, интервал, темп

- чрез управление на хронометъра по радиоканал – старт-финал

- чрез изчисляване на фазите на движението от кинематичните характеристики

Методи за измерване на енергетични характеристики – работа и мощност

- чрез микрокомпютър вграден в тренажора

- чрез комплексен метод за комбинирано компютърно изчисляване от кинематичните и динамичните характеристики.

Измерване на  работа, мощност, функционални характеристики

Индиректни методи с ограничено приложение (кинематични параметри)

-         кинематография (скъп), стробоскопично заснемане на тялото на спортиста със закрепени рефлектори върху избрани точки от тялото,

-         честотна фотография – поредица от фотоснимки 8 – 10 за секунда с високо качество на изображението, фотография на спортиста със закрепени LED диоди емитиращи светлина с определена честота,

-         фотограметрична реконструкция – върху обекта се поставят маркери от два вида - активни и пасивни – те се идентифицират от всяка видеокамера, пасивните от едната, активните от другата. Видеокамерите са поставени на разстояние (база) няколко метра една от друга и са насочени в едно направление. Впоследствие се получава компютризирано стереоизображение, от което се отчитат координатите в три направления. Методът се използва за изследване на походката на човека.

Методи за измерване на сили - директни

-         за изотонична сила – на отделен крайник поставен на определен ъгъл спрямо останалите звена – чрез станови електродинамометър

Тензометричен първичен преобразувател на сила на теглене

-         за изокинетична сила  на отделен крайник - измерване на силата в рамките на ъгловия диапазон на действие на крайника -  електродинамометрия чрез изокинетичен тренажор за горните крайници и чрез велоергометър за долните.

Изокинетичен тренажор Специализиран тренажор "ARIEL"

Регистрирането на моментните стойности на силата при изпълняване на двигателната структура от цикъл на загребване върху изокинетичен тренажор BIOKINETICS произведен по американски патент /US Pat.(22.01.1980) / Flavel & Counsilman/, се реализира чрез превръщане на силата в електрическо напрежение с възможност за по-нататъшна компютърна обработка с използване на преобразувателите на сила възникваща при изтеглянето на ръкохватките на тренажора с определена скорост. Загребването изпълнявано с тренажора имитира напълно успешно характера на хидродинамичното водно съпротивление и затова този тип измерване се използва изключително много в плувните и гребните спортове като служи за отличен заместител на работата във водна среда. Измерванията изпълнявани върху тренажора включват набор от пълния брой цикли на загребване съответстващи на изследваната дистанция с темпа с който се изпълняват в естествени водни условия, така че състезателят да се постави напълно в условията на реалното натоварване, а степента на зададеното съпротивление на настройка на тренажора съответства на числена стойност отговаряща на скоростта на спортиста при преодоляване на дистанцията във вода. Броят на степените при този тип изокинетични тренажори е 10. За определено време от 45 до 60 секунди се записват моментните стойности на всичките загребни цикли като за постигане на зададената точност се избират 50 броя измервания на силата в секунда. Оценката на скоростно-силовата подготовка се реализира, след като всички състезатели се поставят при едни и същи условия и в съответствие със собствените си възможности извършват определен обем работа.

Специализираният тренажор "ARIEL" регулира натоварването върху спортиста в рамките на изследвания ъглов диапазон на движение на звената от тялото. Освен това апаратът измерва приложеното усилие от спортиста. Компютризираното му управление реализира двигателна програма от разнообразен характер и моделиране на усилието приложено от спортиста.

Измерване на изокинетична сила с променлива стойност в рамките на амплитудата на мускулното движение се използва при загребване във вода в плувните спортове. Методиката “завързан плувец” съдържа тензометричен първичен преобразувател на сила фиксиран от едната страна с неразтеглива нишка към твърда опора, в случая - края на басейна, а другият край на преобразувателя е свързан към кръстната област на плувеца, който изпълнява загребни движения. Динамичният диапазон за измерване е 1000 N. Измерването на реакцията на опората в първичния преобразувател се отчита 50 пъти в секунда.

 


Измерване на изокинетична сила с променлива стойност във вода

           Състезателят започва тренировъчното занимание с контролен тест съдържащ упражненията загребване само с ръце, само с крака и в координация ръце и крака. По време на провеждане на тренировката се прави второ контролно измерване с тестове от същия характер.

Спринтово бягане

Комплексен метод за анализ на опорната реакция в предно-задно и вертикално направления при лекоатлетически спринтови бягания

Силоизмерителната платформа се използва за изследване на  динамиката на бягане, скокове, вдигане на тежести и др. Представлява правоъгълна недеформируема с дебелина до 0.1 метра платформа, в която са поставени силоизмервателни датчици. Те са свързани с усилвател, регистриращо устройство за графично записване или компютър за цифрова регистрация. Колкото по – силно спортистът натиска плота на платформата, толкова по-висок е информационният сигнал. Разположените отгоре графики съдържащи положителна и отрицателна области се отнасят за сили в предно-задно направления, а поставените под тях графики - са за вертикалните усилия. Отляво разположените се отнасят за сили измерени близо до старта (до 5 метра), а отдясно - са получени от измервания на 75 метра от него. Наличието на двугърба крива във вертикалното усилие се дължи на амортизиращата и оттласкваща компоненти, които са силно изявени при отдалечаването на измервателната платформа от линията на старта. Когато едновременно със силите в предно-задно, вертикално и странично направления, се регистрират и индиректно чрез видеозапис движенията на спортиста, изследването се нарича комплексно. Синхронизацията на данните от двата метода обикновено се осъществява чрез записване на синхроимпулси в звуковия канал на видеокамерата.

 

Комплексен метод за пряко измерване на деформацията на опората и синхронизиран видеозапис на упражнението

Четирите тензосъпротивления се залепват по двойки от двете страни на подложената на натиск повърхност (например на гимнастическа висилка два датчика се поставят отдолу, а два датчика отгоре). Свързват се в измерителен мост. Поради огъването на висилката едната двойка тензосъпротивления е подложена на разтягане, а другата противоположно разположена - на свиване. Тензосъпротивленията променят стойността си, мостът се разбалансира и от изхода му се получава напрежение, което се усилва и записва. Сиво оцветените правоъгълници са местоположенията на датчиците.

Местоположение на датчиците

Комплексни методи (повече подробности за комплексните методи за изследване може да се намерят в раздела "Биомеханика Магистри")

Позволяват синхронизирано изследване на различни параметри на движението, напр. измерване на моментната скорост на спортиста чрез радарно устройство синхронно с видеозаписа на двигателната дейност; електромиография и видеозапис върху общ информационен носител и др. Регистрацията и анализът се осъществяват със специализиран софтуер. Важен е изборът на типа координатна система за извършване на анализа, в зависимост от целта на изследването - декартова система едно, дву или тримерна; полярна система, ограничава в една или две равнини; относителна или абсолютна координатна система: относителна – за сравнение на преместването на един крайник спрямо друг, абсолютна – координатите са свързани с пистата, те се отнасят към друг кадър в пространството, в който е заснета латата.

Методи за биомеханични изследвания (резюме)

Методите се разделят на два вида - кинематографични и динамографични

Кинематографичните са с предназначение за кинематични изследвания, които са измерване на координати, траектории, скорости, премествания и др. За средни по големина премествания се използват видеометрични методи, които представляват заснемане на движението на спортиста в полето на заснемане на видеокамера и след това кинематичният анализ се извършва с компютърна програма. Това са индиректни методи, тъй като видеокамерата не влиза в контакт със спортиста. За разлика от индиректните методи има и директни динамографични методи, които влизат в контакт със спортиста. Това са велоергометър, динамометрична платформа, станови динамометър, теглилка, ръчен динамометър и др. Динамометричните методи измерват силата на взаимодействие между телата.