Двигательная система человека
Мышечно-скелетная система состоит из периферийных частей двигательной системы и содержит мышцы и элементы соединительной ткани, которые образуют скелет. В дополнение к мышечно-скелетной системе двигательная система включает те компоненты нервной системы, которые участвуют в осуществлении движения. Представлены биомеханические особенности мышечно-скелетной системы (Zajac, Gordon, 1989).
В этой схеме сигналы, передаваемые двигательными единицами, представляют команды, подаваемые нервной системой для возбуждения мышцы и создания усилия, которое передается скелету в виде вращающего момента относительно сустава. Усилие, создаваемое мышцей, зависит от ее механических свойств, в то время как вращающий момент зависит как от вектора усилия мышцы, так и от его плеча пары относительно оси вращения сустава.
Тем не менее биомеханический эффект возбуждения мышцы не ограничивается суставом или суставами, пересекаемыми мышцей, а распределяется по мышечно-скелетной системе. Как результат этой мышечно-скелетной организации возбуждение мышцы нервной системой может оказывать влияние на кинематические параметры (угол, скорость и ускорение) многих суставов по всему телу.
Более того, при изменении кинематических параметров оно может также влиять на динамику мышцы (соотношения расстояние-усилие и усилие-скорость) и геометрию сустава (момент-длина плеча). В схеме выделен важный вопрос. Данная команда нервной системы не всегда обеспечивает один и тот же биомеханический эффект для двигательной системы. Скорее результат команды зависит от состояния мышечно-скелетной системы (например, от длины мышцы, скорости мышцы, длины плеча пары). Два этих фактора — качество и величина нервного стимула и состояние мышечно-скелетной системы — имеют, по меньшей мере, одинаковое значение при определении способности двигательной системы к осуществлению движения (Bernstein, 1984).
Для выполнения желаемого движения нервная система должна знать состояние мышечно-скелетной системы. Два существенных ограничения, которые накладываются мышечно-скелетной структурой, заключаются в том, что движение обусловливается результирующей работой мышцы и что место прикрепления мышцы относительно сустава изменяется.
Результирующая работа мышцы. Мы подчеркивали, что движение человека обусловливается, как правило, дисбалансом сил, действующих на тело, а не приложением единственного отдельного усилия. Благодаря мышечно-скелетной структуре это обобщение применимо также к влиянию работы мышцы на сустав.
Обычно возбуждается не одна мышца, а группа мышц-синергистов или набор мышц агонистов и антагонистов. В связи с таким режимом работы важно еще раз подчеркнуть, что результирующее усилие мышцы и результирующий вращающий момент мышцы представляют собой результирующий эффект работы мышцы относительно сустава.
Рассмотрено, каким образом использовать механику для расчета результирующего усилия мышцы как для статических, так и для динамических условий. С помощью этого подхода мы определили схему свободного тела для учета всех кинематических и кинетических воздействий на систему, за исключением результирующего усилия мышцы (или результирующего вращательного момента мышцы), и затем рассчитали результирующее усилие мышцы в качестве остаточного момента.
Это обеспечило оценку результирующей работы мышцы и вклада работы мышцы в движение. Межкостное усилие. Ограничение в исследовании движения в качестве следствия воздействия результирующего усилия мышцы заключается в том, что мы не можем определить абсолютное усилие, создаваемое мышцей.
Хотя на движение и оказывает влияние результирующее усилие мышцы, абсолютное усилие является важным фактором в таких областях, как протезирование. Мы ввели понятие «реакция сустава» для учета результирующих усилий, которые создаются в результате костного контакта между смежными сегментами тела. Эти усилия могут создавать ткани (например, капсула, связка, мышца) и внешние агенты (например, реакция земли).
В противоположность этому термин «межкостное усилие» представляет абсолютное усилие в суставе, обусловливаемое контактирование сегментов тела. Разница в величине между реакцией сустава и межкостным усилием может быть существенной. Интересный пример этой разницы представлен Galea и Norman (1985) в исследовании межкостных усилий в голеностопном суставе во время быстрого балетного движения — прыжка с плоских стоп на носки.
В этом анализе определялись как реакция сустава, так и межкостное усилие под действием сил, создаваемых мышцами, участвующими в движении. В модели, использованной для выполнения этих расчетов, принимались во внимание основные мышцы, пересекающие голеностопный сустав, и, следовательно, те мышцы, которые вносят вклад в зависимую от мышц составляющую межкостного усилия.
С точки зрения векторной алгебры, которая рассматривает как величину, так и направление векторов, Fm всегда определяется как векторная сумма. Для одного человека Galea и Norman рассчитали среднюю реакцию сустава, обусловленную работой мышц, на уровне 732 Н во время движения и среднее межкостное усилие, составившее 6,068 Н. Это разность, соответствующая приблизительно одному порядку величины.