УДК 612.8
ОСОБЕННОСТИ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЗЫ ПРИ НЕРАВНОМЕРНОЙ НАГРУЗКЕ НА НОГИ
© 2013 г. О. В. Казенников, Т. Б. Киреева, В. Ю. Шлыков
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, Москва Поступила в редакцию 05.07.2012 г.
Исследовали движения общего центра давления (ЦД) и ЦД правой и левой ноги при поддержании вертикальной позы при стоянии с симметричной нагрузкой на ноги, с переносом тяжести на правую и левую ногу. Показано, что при стоянии с симметричной нагрузкой на ноги движение ЦД отдельной ноги происходило вдоль прямой линии с небольшими отклонениями в сторону, в отличие от движения общего ЦД, которое представляло собой кривую, часто меняющую направление и заполняющую некоторую область. При переносе тяжести на одну ногу движение ЦД нагруженной ноги было таким же, как и при симметричной нагрузке на ноги. Движение ЦД ненагруженной ноги происходило по хаотичной траектории. При переносе тяжести на одну ногу корреляция между движениями ЦД левой и правой ноги снижалась по сравнению со стоянием с симметричной нагрузкой на ноги. Скорость движения ЦД нагруженной ноги возрастала в сагиттальном направлении, но не изменялась во фронтальном. Скорость ЦД ненагруженной ноги не изменялась в сагиттальном направлении и возрастала во фронтальном. Высказывается предположение, что при стоянии с неравномерной нагрузкой на ноги участие ноги в поддержании вертикальной позы зависит от нагрузки, приходящейся на ногу.
Ключевые слова: вертикальная поза, нагрузка на ноги, перемещение общего центра давления, перемещение центра давления одной ноги.
Б01: 10.7868/80131164613030119
Система управления вертикальной позой человека поддерживает устойчивость, удерживая проекцию общего центра тяжести тела в ограниченной области внутри опорного контура [1]. При отсутствии быстрых движений корпуса проекция общего центра тяжести совпадает с центром давления ног на опорную поверхность стабилографа, с помощью которого можно получить траекторию движения проекции центра тяжести. При этом испытуемый, как правило, стоит на одном стабило-графе, т.е. регистрируется давление, создаваемое обеими ногами. При обычном стабилографиче-ском исследовании испытуемого просят стоять, равномерно распределив нагрузку между ногами, и такие измерения достаточны для описания устойчивости вертикальной позы. Вместе с тем, в обычной жизни человек часто стоит в несимметричной позе, при которой на ноги приходится разная нагрузка. Кроме того, несимметричная нагрузка может быть связана с усталостью [2], возрастом [3], а также с ортопедическими или неврологическими заболеваниями [4, 5]. Поэтому анализ особенностей поддержания вертикальной позы при разной нагрузке на ноги может быть полезен для прояснения работы системы управления позой [6].
В настоящей работе ставилась цель изучить не только движение проекции общего центра тяжести, но и усилия, создаваемые каждой ногой по отдельности, у здорового человека при переносе тяжести на левую или правую ногу. Очевидно, что полный перенос веса тела на одну ногу, т.е. стояние на одной ноге, приводит к неустойчивости позы, что создает дополнительные требования к системе поддержания позы и изменяет ее работу. Например, позная реакция на вибрацию мышц ног сильно уменьшается при стоянии в неустойчивой позе или на неустойчивой опоре [7—9]. В настоящей работе вес тела переносился на одну ногу лишь частично, что не приводило к заметному ухудшению устойчивости вертикальной позы. В таких условиях можно было ожидать, что при разной нагрузке на ноги проявится специфическая роль каждой из ног в поддержании устойчивости вертикальной позы.
МЕТОДИКА
В экспериментах принимали участие 11 практически здоровых испытуемых. Испытуемого просили стоять, стараясь не двигать корпус, глаза были закрыты, руки опущены вдоль тела. Каждая из
ног стояла на отдельном стабилографе (ОКБ РИТМ, Россия), стопы располагались на одинаковом расстоянии (около 10 см) от краев стабилогра-фов и параллельно друг другу. В первом варианте эксперимента испытуемый стоял, равномерно нагрузив обе ноги. Во втором варианте большая часть веса тела была перенесена на правую ногу, при этом левая нога всей подошвой касалась поверхности стабилографа. В третьем варианте испытуемый переносил большую часть веса на левую ногу. Длительность пробы составляла 20 с, после 2—3 проб по просьбе испытуемого делали паузу для отдыха около 1 мин.
Регистрировали положение общего центра давления (ЦД) и ЦД отдельно для левой и правой ноги с частотой 50 Гц. Для каждой пробы анализировали изменения отдельно для сагиттальной и фронтальной составляющих стабилограммы. Для каждой составляющей стабилограммы вычисляли среднее значение, среднеквадратичное отклонение, скорость перемещения ЦД. Скорость перемещения ЦД вычисляли как длину соответствующей составляющей стабилограммы за 1 мин. Также вычисляли корреляцию между движениями ЦД одной ноги в сагиттальном и фронтальном направлениях, и корреляцию сагиттальных и фронтальных составляющих движения ЦД обеих ног. Для вычисления кросскорреляционной функции из сагиттальной и фронтальной стабилограммы вычитали медленную составляющую с частотой среза 0.1 Гц. При усреднении и проведении статистических тестов для коэффициентов корреляции предварительно производили преобразование Фишера.
Усредненные значения параметров для каждого испытуемого в каждом условии использовали для статистического анализа. Для выявления различий использовали непараметрический дисперсионный анализ (Friedman ANOVA) параметров в трех вариантах эксперимента (стояние с симметричной нагрузкой, с нагрузкой на правую ногу и нагрузкой на левую ногу). Попарное сравнение производили с помощью критерия Вилкоксона или парного t-теста. Уровень для принятия различий составлял 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
При обычном стоянии нагрузка на ноги распределялась примерно поровну: 52 ± 4% на правую ногу и 48 ± 4% на левую. После того, как испытуемого просили перенести нагрузку на одну ногу и при этом сохранять устойчивое положение тела, доля веса, которая приходилась на нагруженную ногу, не зависела от того, какая нога (левая или правая) была нагружена. При переносе тяжести на правую ногу нагрузка на нее в среднем по группе возрастала до 78 ± 7% от веса, остальные 22 ± 7% приходились на левую ногу. При переносе тяжести на левую ногу нагрузка на нее составляла 77 ± 6%,
а нагрузка на правую ногу была 23 ± 6%. Различия в доле веса, приходящегося на нагруженную ногу, при стоянии с асимметричной нагрузкой на ноги не были статистически значимыми.
На рис. 1 представлено движение общего ЦД и движения ЦД для левой и правой ноги у испытуемого при равномерной нагрузке на обе ноги (рис. 1, А). Видно, что движение общего ЦД в сагиттальном направлении было больше, чем во фронтальном. По всей группе испытуемых среднеквадратичное отклонение смещения сагиттальной стабилограммы было 3.89 ± 0.45 мм, а фронтальной стабилограммы — 1.35 ± 0.25 мм. На среднем фрагменте рис. 2, А представлена типичная траектория движения общего ЦД, на которую наложена линия выделенного направления, полученная с помощью регрессионного анализа. Видно, что линейная аппроксимация плохо соответствовала движению общего ЦД, что подтверждалось низким коэффициентом корреляции между движениями ЦД в сагиттальном и фронтальном направлении. Регрессионный анализ показал, что угол наклона выделенного направления движения общего ЦД варьировал в широком диапазоне, составляя более 60 градусов к передне-заднему направлению (в среднем 72 ± 6 градусов), а коэффициент корреляции движения общего ЦД в сагиттальном и фронтальном направлении для всей группы испытуемых был низким (в среднем 0.32 ± ±0.10).
Совершенно другая картина была получена при анализе движения ЦД каждой ноги по отдельности. При симметричной нагрузке на ноги движение ЦД для отдельной ноги имело четко выделенное направление, а именно, происходило вдоль стопы с небольшими отклонениями в поперечном направлении (рис. 2, А, левый и правый фрагменты). Для правой ноги среднеквадратичное отклонение движения ЦД в сагиттальном направлении в среднем по всей группе составляло 3.72 ± 0.38 мм, а во фронтальном направлении — 0.73 ± 0.13 мм. Для левой ноги отклонение ЦД составляло 4.25 ± ± 0.58 мм в сагиттальном направлении и 1.05 ± ± 0.30 мм во фронтальном.
Регрессионный анализ показал, что движения ЦД отдельной ноги имели выделенное направление движения с небольшим углом по отношению к передне-заднему направлению (рис. 2, А, правый и левый фрагмент). Это отклонение составляло 11 ± ± 1 градусов по часовой стрелке для правой ноги и 13 ± 3 градусов против часовой стрелки для левой ноги. При этом коэффициент корреляции между изменениями положения ЦД в сагиттальном и фронтальном направлении был высокий. В среднем по группе коэффициент корреляции движения ЦД в сагиттальном и фронтальном направлении для правой ноги был 0.91 ± 0.22, для левой ноги — 0.89 ± 0.20. Таким образом, при симмет-
А
Симметричная нагрузка
Г
Д
30
20
10
0
-10
-20
30 30
20
10
0
10
20
30
0 ЦД правой _ ноги
# ЦД левой ноги
симм
прав симм " лев
Рис. 1. Движение общего центра давления — ЦД (в центре) и ЦД левой (слева) и правой (справа) ноги при стоянии с симметричной нагрузкой на ноги (А), с нагрузкой на правую ногу (Б) и с нагрузкой на левую ногу (В) у типичного испытуемого. Ось абсцисс — фронтальное направление, ось ординат — сагиттальное (смещение ЦД вперед — вверх). Смещение усредненного по группе среднего положения ЦД левой (черные кружки) и правой (белые кружки) ноги во фронтальном (Г, Д) и сагиттальном (Е, Ж) направлениях при переносе тяжести на правую (Г, Е) и левую (Д, Ж) ногу. Показаны среднее значение и стандартная ошибка.
ричной нагрузке на ноги линейная взаимосвязь движения ЦД отдельной ноги во фронтальном и сагиттальном направлении описывает более 80% изменений положения ЦД.
На рис. 3, А показаны сагиттальные составляющие движения ЦД левой и правой ног при симметричной нагрузке на ноги у одного испытуемого. Видно, что изменения положения ЦД происходили для обеих ног практически одновременно. Кр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.