История биомеханики в спорте и медицине

Впервые фотографическое оборудование было использовано для анализа кинематики движения лошади в 80-е годы 19-го века Muybridge Eadweard («фотографическое ружье»). Идея создания «фотографического ружья» c частотой съемки 12 кадров в секунду принадлежит астроному Janssen Jules. В 1888 году Eitenne Marey впервые использовал для видеосъемки пленку длиной 1,2 м и шириной 9 см. Видеокамеры были оснащены электромагнитным затвором и синхронизированы с силовой платформой, что позволило получить четкие изображения отдельных движений человека. В 1894 году были зарегистрированы движения руки человека и падение кошки (Murrey E., Bull L.) В 1924 году Lucien Bull добился частоты киносъемки 100000 кадров в секунду.

Последующее изменение типа регистрирующих устройств (вместо фотокамер стали использовать кино/видеокамеры, позже цифровые камеры) значительно упростило метод киноциклографии. Замена неподвижного носителя (фотопластинки) на подвижное регистрирующее устройство типа кино-видеопленки и, позже, на электронное считывающее устройство расширило диапазон применения биомеханического анализа. Стало возможным регистрировать кинематику движений:

• в экстремальных условиях (космические полеты);
• в условиях трудовых процессов (с целью решения задач эргономики);
• при воздействии ударных нагрузок на экипаж автомобилей (задачи безопасности);
• в спортивных соревнованиях;
• с очень маленькой амплитудой (точностные движения — игра пианиста или колебания при вертикальной стойке человека).

Изменился и самый трудоемкий процесс видеоанализа — перевод координат из базиса регистрирующего устройства в инерциальный базис. Для расчета действительных координат сегментов тела (координат в инерциальном базисе) стали применять алгоритмы машинного видения, что позволило с минимальными временными затратами рассчитать трехмерные координаты сегментов тела.

В 70-80-ые годы впервые в Швеции и Италии были разработаны коммерческие оптико-электронные системы типа Selspot 1, Selspot-2 (позднее Qualisys), Elite (Andiachi, 1979; Spoor, 1980; Ferrigino, Pedotti, 1985), Vicon, Coda и многие другие, позволяющие регистрировать движения человека и животных с высокой частотой и исключающие ручную работу при определении координат. Суть регистрации состояла в том, что на тело испытуемого крепили активно отражающие маркеры, работающие в инфракрасном невидимом спектре. Зарегистрированное светочувствительной матрицей изображение маркеров с помощью программного обеспечения пересчитывалось в цифровой ряд с последующей записью на физический носитель компьютера.

Несмотря на существенную скорость получения кинематической информации, перечисленные выше методики была лабораторными, так как источники излучения находились на проводной связи с камерами (рисунок 1). Методики видеорегистрации, основанные на активно отражающих маркерах, обладают еще некоторыми существенным недостатками: а) при повороте конечности источник излучения может исчезать из поля видения камер (угол излучения инфракрасного сигнала для датчиков системы Selspot-2 составляет 150 от нормали, проведенной к поверхности датчика); б) при перекрытии маркеров сегментами тела часть траектории движения пропадает; в) при ярком солнечном свете (дополнительное инфракрасное излучение) точность регистрации существенно снижается.

Эти недостатки были со временем преодолены в системах Qualisys, Vicon, Physiomed и других. Вместо лампочек стали применять пассивно отражающих маркеры, покрытые световозвращающей пленкой типа Solaris (производства 3 М, США), что позволило регистрировать локомоции человека не только в лабораториях, но и в условиях тренировок (рисунок 2).

Рисунок 1 — Аппаратная часть оптико-электронной системы CODA. Вверху — инфракрасные камеры с источником питания; внизу — датчики инфракрасного излучения и блок питания.

Рисунок 2 — Пример регистрации кинематических параметров движения человека. Слева — в лабораторных условиях, справа — на стадионе.

Разработка и применение видеоанализа в Российской Федерации

Инструментальные методы контроля локомоций человека применяли в:

• космической медицине (Чекирда И.Ф. с соавт. 1967, 1971, 1974а, 1974б);
• в нейрофизиологии, реабилитационной медицине, ортопедии (Витензон, 1999);
• моторном контроле (Бернштейн, 1947, Чхаидзе 1970);
• в спорте (Алешинский С.Ю., 1978; Сучилин Н.Г, Савельев В.С., Попов Г.И., 2000).

Регистрировали кинематические, динамические и электромиографические параметры двигательных действий человека. По этим параметрам определяли:

• величину отклонения от нормы при двигательной патологии, что позволяло вести целенаправленную коррекцию двигательной патологии, например, при восстановлении нормальной ходьбы;
• оценивали нагрузку на суставной и мышечный аппарат при выполнении спортивных действий (Алешинский С.Ю., 1977).

Пионером биомеханического метода анализа локомоций человека является Н. А. Бернштейн. Суть метода киноциклографии, предложенного Н. А. Бернштейном, заключалась в регистрации перемещения суставов тела человека неподвижной фотокамерой (Бернштейн, 1947). На суставы испытуемого крепили лампочки. Испытуемый с включенными лампочками двигался перпендикулярно оптической оси камеры. Обтюратор, с вырезанным окном, вращался перед открытым объективом фотокамеры (рисунок 3). Окно обтюратора, периодически появляясь перед объективом, делало траекторию движения суставов прерывистой (рисунок 4).

Рисунок 3 — Стереокамеры («К. Цейс, производства ГДР) с обтюраторами. Общий вид фотограмметрической методики, применяемой в исследованиях лаборатории Биомеханики ГЦОЛИФКА в 70–90 е годы прошлого столетия.

Рисунок 4 — Траектории сегментов тела, представленные в книге Бернштейна Н.А. (Бернштейна Н.А. «О построении движений», М., Медгиз, 1947).

Для получения действительных координат, траектории вручную обрабатывали на стереометрографе (рисунок 5). По свидетельству проф. Д. Д. Донского одна попытка занимала две недели работы высококвалифицированного лаборанта.

Рисунок 5 — Стереометрограф фирмы К. Цейс (производства ГДР) применялся для обработки снимков в лаборатории Биомеханики ГЦОЛИФКА (с 1970—1990 гг.).

В России в 70-90-е годы прошлого столетия биомеханической высокоскоростной съемкой занимались в лаборатории биомеханики ВНИИФКа под руководством И. П. Ратова И.П., Г. И. Попова и В. П. Кряжева.

Наибольшее развитие метод киноциклографии получил в лаборатории биомеханики ГЦОЛИФКА. Метод киноциклографии Н. А. Бернштейна был существенно модифицирован и усовершенствован. Постоянно включенные лампочки заменили пульсирующими диодами, это дало возможность убрать из методики создающие сильный шум вращающиеся обтюраторы (рисунок 3, Тюпа, 1977). Однако и такой вариант регистраций локомоций обладал рядом недостатков: а) большая длительность при подготовке к исследованию; б) ненадежность работы — лампочки быстро выходили из строя (Работая в секторе биомеханики проблемной лаборатории ГЦОЛИФКа с 1979 по 1989 г., Воронов А.В. многократно принимал участие в проведении подобных исследований). Дальнейшее совершенствование метода оптической регистрации локомоций состояло в замене маркеров типа «лампочки» на пассивно отражающие метки (рисунок 9, верхний).

Рисунок 9 — Регистрация биомеханических характеристик локомоций спортсменов методом киноциклографии в лаборатории Биомеханики ГЦОЛИФКа. Место проведения — манеж ГЦОЛИФКА. Верхняя фотография — односторонняя съемка, нижняя фотография — билатеральная видеосъемка

Использование стробоскопа с частотой пульсации 100 Гц дало возможность определить кинематические характеристики локомоций с высокой скоростью перемещения. Например: бег, тройной прыжок, бег через барьеры (Тюпа В.В., 1977; Алешинский С.Ю., 1977).

Несмотря на существенную модификацию метода киноциклографии Н. А. Бернштейна, осуществленную сотрудниками лаборатории Биомеханики ГЦОЛИФКа методика обладала рядом существенных недостатков:

• длительность обработки на полуавтоматическом стереометрографе (рисунок 5);
• эксперимент являлся лабораторным, т. е. для его проведения необходимы определенные условия, а именно: затемненное помещение. Съемки в манеже ГЦОЛИФКа проводили в вечернее и ночное время;
• испытуемый должен двигаться на определенном расстоянии от камеры, иначе размер меток становился очень маленьким, что вызывало трудности в обработке, и как следствие этого, большие ошибки измерений;
• сегменты тела должны обязательно перемещаться. Последний недостаток метода регистрации неподвижной камерой с отрытым затвором являлся самым существенным: если сегмент не двигается, например стопа в положении подошвенного контакта с опорой (как при ходьбе или при «сходе» с барьера), то дискретная последовательность меток стопы, превращалась в световое пятно, что существенно затрудняло определение время контакта стопы с опорой (рисунок 10).

Развитие электроники существенно изменило аппаратную составляющую метода. В первую очередь, претерпели изменения носители информации: видеопленку заменили электронные считывающие матрицы. Аппаратная часть киноциклографии из одно/двухкамерной превратились в многокамерную с одновременной регистраций 4, 6 и более камерами. Увеличение скорости считывания оптического устройства, синхронизация камер создали условия регистрации быстроменяющихся процессов в трехмерном измерении.

Рисунок 10 — Пример снимка с фигурой атлета при «сходе» с барьера. Внизу в центре снимка видно, что при контакте стопы с опорой траектории голеностопного сустава и носка стопы превращаются из дискретных в непрерывные (точки сливаются), что существенно затрудняет процесс обработки на стереометрографе (рисунок 5).