Регистрация электрической активности мышц спортсменов при изучении высокоамплитудных двигательных действий

 

Ципин Л.Л., Захаров Ф.Е., Самсонов М.А. Регистрация электрической активности мышц спортсменов при изучении высокоамплитудных двигательных действий // Труды кафедры биомеханики университета им. П.Ф. Лесгафта: сборник науч. трудов за 2012 г., Вып. VI. – СПб.: НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-петербург, 2012. – С. 36-43.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УДК 612.741.1

 

Л.Л. Ципин, к.п.н., профессор

Ф.Е. Захаров, аспирант

М.А. Самсонов, аспирант

кафедра биомеханики НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург

 

 

РЕГИСТРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ СПОРТСМЕНОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ВЫСОКОАМПЛИТУДНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электромиография как метод исследования нервно-мышечной системы человека с помощью регистрации биоэлектрической активности мышц известен достаточно давно. Первые работы в этой области были проведены Пипером (H. Piper) в начале прошлого века после появления струнного гальванометра. В дальнейшем электромиография стала широко применяться при изучении физиологии двигательных единиц и в клинической практике, чему посвящен ряд фундаментальных работ Р.С. Персон, А.А. Гидикова, Б.М. Гехта, В.Н. Команцева и многих других авторов. Значительно меньше внимания уделялось использованию электромиографической методики в спортивно-педагогических исследованиях. В этом направлении можно выделить многочисленные работы И.М. Козлова и его учеников, посвященные проблемам координации мышечной активности, и работы Р.М. Городничего по изучению мышечной деятельности и регуляции спортивных движений.

 

В подавляющем большинстве работ по спортивной тематике находит применение поверхностная электромиография – регистрация суммарной (интерференционной) электрической активности мышц с помощью поверхностных (накожных) электродов [1, 3]. Этот метод позволяет неинвазивно изучать активность мышц, обеспечивающих выполнение двигательных действий различной координационной сложности. В этом случае, как правило, регистрируется электромиограмма (ЭМГ) залповидного типа (при ритмической деятельности) и гиперсинхронизированного типа (при утомлении) [2]. По ЭМГ определяются такие информативные характеристики, как моменты начала и окончания активности мышц, средняя и максимальная амплитуда основных колебаний, частота колебаний, суммарная электрическая активность (площадь между выпрямленной ЭМГ и нулевой линией). Однако, в отличие от записи ЭМГ в клинической практике или лабораторных условиях, когда больной или пациент неподвижны или совершают медленные движения с небольшой амплитудой, при изучении спортивных двигательных действий часто выполняются быстрые движения с большими перемещениями. Кроме того, при взаимодействии с соперником или спортивным инвентарем поверхностные электроды могут подвергаться значительному внешнему воздействию. В результате возникает смещение электродов на коже, помехи передачи сигнала и, как следствие, невозможность надежной записи ЭМГ и ее последующей обработки. В связи с этим в спортивных исследованиях для записи ЭМГ используется специальная аппаратура. Ее можно разделить на два варианта исполнения. В первом варианте сигналы с электродов передаются на регистрирующее устройство по проводам. Для исключения наводки от движения проводов усилители биопотенциалов расположены непосредственно на самих электродах. Во втором варианте сигналы передаются на регистратор по радиоканалу или записываются на флэш-память на каждом электроде, с которой впоследствии информация считывается на компьютер. Преимуществом первого варианта является относительно невысокая стоимость аппаратуры, помехоустойчивость и возможность анализа ЭМГ в режиме реального времени. Преимущество второго варианта состоит в отсутствии ограничений в движениях спортсмена из-за соединительных проводов, однако беспроводная передача сигналов приводит к удорожанию аппаратуры и возможным помехам. А использование флэш-памяти не позволяет оперативно производить анализ движений и их коррекцию в процессе эксперимента.

 

Цель данного исследования состоит в оценке возможности регистрации электрической активности мышц спортсменов в естественных условиях тренировочной деятельности с использованием современной миографической аппаратуры с проводным способом передачи сигнала.

 

МЕТОДИКА

 

В эксперименте участвовали 19 спортсменов: 10 легкоатлетов-спринтеров и 9 борцов греко-римского стиля. Квалификация спортсменов – спортсмены I разряда, кандидаты в мастера и мастера спорта. У легкоатлетов регистрировалась электрическая активность мышц нижних конечностей во время старта и стартового разгона при беге на 100 м; у борцов – электрическая активность мышц туловища, верхних и нижних конечностей при выполнении приемов борьбы и специальных скоростно-силовых упражнений. Приемы выполнялись с активным противодействием соперника. Для регистрации электрической активности мышц использовался 8-и канальный аппаратно-программный комплекс «Миотон» (ОКБ «РИТМ» г. Таганрог). Комплекс включает аппаратный блок, соединяемый с ноутбуком USB-кабелем, поверхностные отводящие электроды с усилителями, заземляющий электрод и программное обеспечение StabMed2. Применялись кнопочные биполярные отводящие электроды REF F3010 размером 41×21 мм (Италия). Электроды устанавливались в местах локализации двигательных точек мышц. Заземляющий электрод устанавливался на внутренней поверхности голени правой ноги. По ЭМГ определялись моменты начала активности мышц, длительность активности, максимальная амплитуда колебаний и суммарная электрическая активность.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

 

При изучении спринтерского бега было предложено крепить аппаратный блок миографа на поясе спортсмена с использованием специально изготовленного основания с держателем для USB-кабеля и мягкой поролоновой прокладки. Провода, идущие от электродов, укладывались таким образом, чтобы при максимальной амплитуде движений нижней конечности они не испытывали излишнего натяжения. Отводящие электроды дополнительно крепились отрезками лейкопластыря шириной 2 см (рис. 1). Для изучения стартового разгона общая длина USB-кабеля была увеличена за счет удлинителя с усилителем до 13 м. Во избежание его повреждения в конце разгона устанавливалось несколько матов для торможения спортсменов.

 

 

 

Рис. 1. Спортсмен с укрепленным на поясе аппаратным блоком миографа и отводящими электродами

 

 

Анализ миограмм всех спринтеров показал, что имевшие место сбои при их записи не зависели от того, какие конкретно мышцы нижней конечности рассматривались, а были обусловлены смещением электродов и нарушением их контакта с кожей из-за натяжения идущих к аппаратному блоку проводов. Причиной смещения электродов являлось, как правило, то, что спортсмен задевал за провод каким-либо звеном при движении или во время отдыха между попытками. На рис. 2 представлены типичные миограммы при выбегании спортсмена с низкого старта.

 

 

 

Рис. 2. ЭМГ мышц нижних конечностей легкоатлета-спринтера при нормальной записи (вверху) и при сбое в записи (внизу):

каналы 1-4 – мышцы правой ноги по порядку: большая ягодичная, двуглавая, икроножная, прямая;

каналы 5-8 – те же мышцы левой ноги;  стрелкой показан момент сбоя

 

 

Как видно из рис. 2, на одной из миограмм присутствует явный сбой записи активности прямой мышцы бедра правой ноги после нескольких циклов движения. Сбой имеет характерный вид и выражается в возникновении прямоугольных или нескольких низкочастотных треугольных импульсов большой амплитуды. После повторного закрепления электродов запись ЭМГ продолжалась в нормальном режиме.

На качество записи также существенно влияет надежность крепления заземляющего электрода и контакта  с идущими от него проводами. При его даже незначительном нарушении происходит сбой записи по всем каналам. По-видимому, это связано с конструкцией заземляющего электрода (в данном случае применялся стандартный электрод для электрокардиографии).

При изучении приемов борьбы и специальных упражнений борцов для надежной фиксации электродов на теле спортсменов поверх них наклеивалась лента лейкопластыря шириной 5 см, а сверху одевался облегающий костюм из прочной эластичной ткани (рис. 3).

 

 

 

 

Рис. 3. Фиксация отводящих электродов (слева) и экипировка борца (справа)

 

 

При проведении экспериментов с борцами крепление аппаратного блока миографа на спортсмене было невозможно вследствие высокой вероятности поломки блока при падении на него спортсмена или при выполнении захвата соперником, а также из-за возможности получения спортсменами травм. В связи с этим было предложено провода, идущие от электродов, удлинить до 4,5 м и соединить в единый кабель, закрепив в нижней части голени спортсмена. Это дало возможность проводящему эксперимент удерживая аппаратный блок в руках перемещаться таким образом, чтобы спортсмены могли свободно двигаться и, в то же время, не задевали за провода (рис.3). Кроме того, кабель прикреплялся к тонкому металлическому тросу, соединенному одним концом с ногой испытуемого, а другим – с рукой экспериментатора, что исключало обрыв проводов или повреждение аппаратного блока при случайных резких движениях спортсменов.

 

 

 

Рис. 4. Проведение эксперимента при изучении приемов греко-римской борьбы

 

 

Анализ миограмм всех участвующих в эксперименте борцов показал, что в единичных случаях встречаются сбои такого же характера, что и у легкоатлетов. Однако при записи ЭМГ борцов большее значение имеют сбои, возникающие из-за давления на электрод.

На рис. 5 представлены миограммы семи мышц, наиболее активных при выполнении броска прогибом. Видно, что в одной из попыток сбой в записи активности передней части дельтовидной мышцы правой руки возникает в первой фазе броска во время выполнения захвата соперника. Показанный сбой возник из-за давления на электрод, когда борец прижимает к себе соперника плотным захватом. Важно, что после прекращения захвата нормальная запись ЭМГ восстанавливается. Также оказалось, что в других попытках выполнения данного приема сбоя не наблюдалось. Из этого можно заключить, что увеличение числа попыток выполнения борцовских приемов и специальных упражнений дает возможность получить нормальную ЭМГ интересующих мышц.

В результате всех экспериментов с борцами выяснилось, что при записи ЭМГ предложенным способом большое значение имеет подготовка проводящего эксперимент. Знание точного направления движения борцов, амплитуды и скорости движения их звеньев тела позволяет оптимально перемещать аппаратный блок миографа и не стеснять движений спортсменов.

 

 

Рис. 5. ЭМГ мышц туловища, верхних и нижних конечностей борцов при нормальной записи (вверху) и при сбое в записи (внизу):

каналы 2-4 – мышцы левой стороны тела по порядку: двуглавая плеча, трапециевидная, большая ягодичная; каналы 5-8 – мышцы

правой стороны: дельтовидная (передняя часть), двуглавая плеча, трапециевидная, большая ягодичная;  стрелкой показан момент сбоя

 

 

ВЫВОД

 

Регистрация электрической активности мышц спортсменов при выполнении высокоамплитудных движений в естественных условиях может быть осуществлена с использованием проводной электромиографической аппаратуры, имеющей определенные конструктивные особенности, при соблюдении необходимых условий проведения эксперимента.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

  1. Гидиков А.А. Теоретические основы электромиографии. Биофизика и физиология двигательных единиц. – Л.: Наука, 1975. – 182 с.
  2. Городничев Р.М. Спортивная электронейромиография. – Великие Луки: Изд-во Великолукской гос. акад. физ. культ., 2005. – 227 с.
  3. Персон Р.С. Электромиография в исследованиях человека. – М.: Наука, 1969. – 231 с.