шаблон и уровень активации мышц в новом велоэргометре

ШАБЛОН И УРОВЕНЬ АКТИВАЦИИ МЫШЦ В НОВОМ
ВЕЛОЭРГОМЕТРЕ
Роберто Агуадо-Хименес1, Мириам Гонсалес-Исаль1, Жон Наварро1, Эстебан Горостьяга1,
Микел Искьерда1
Научно-исследовательский центр спорта и спортивной медицины при правительстве
автономного сообщества Наварра1
ВВЕДЕНИЕ
На предприятии "Goicontini, S.L." был разработан опытный образец
велоэргометра, в котором, в отличие от традиционных моделей, может
изменяться позиция педальной оси, а также длина тяги. Для обычных
велосипедов мы обнаруживаем. что педальная ось находится в позиции от 240
до 260 мм спереди от вертикали сиденья, а размер тяги не превышает 200 мм.
В исследованном же опытном образце педальная ось находится в позиции от
185 до 200 мм сзади от вертикали сиденья, при этом длина тяг – 300 мм.
При разработке данного велоэргометра предполагалось, что заднее
расположение педальной оси, так же как и бóльшая длина тяги, может
приблизить осуществляемое движение к тому, которое производится при беге,
а следовательно и уподобить это движение бегу. В случае подтверждения
этого шаблона можно было бы планировать использование данного
велоэргометра как заменителя для тех ситуаций, когда удар ноги о землю,
производимый при обычном беге, не рекомендуется.
МЕТОДЫ
Для
осуществления
проверки
предположений,
выдвинутых
разработчиком, было смоделировано сравнительное исследование, в котором
данный опытный образец велоэргометра должен был сопоставляться с
другим, обычным, велоэргометром. Одновременно эти два аппарата
сравнивались с беговой дорожкой в аспекте развиваемой на них деятельности.
Для того, чтобы можно было сравнивать воздействие всех трех эргометров на
испытателей, было решено приравнять осуществляемую на каждом из них
работу к 2,4 Вт/кг-1 массы тела. Для велоэргометров рабочая нагрузка
контролировалась с помощью установки инструментального диска модели
SRM, который, будучи подключенным к компьютеру, выдавал информацию о
произведенной работе в реальном времени. Что касается подсчета работы,
произведенной на бегущей дорожке, она определялась путем подсчета
произведенной вертикальной работы:
Работа = [Вес (кг) * Сила тяжести (м/c-2) * Скорость (м/с-1) * Наклон (%)]
На беговой дорожке работа производилась с двумя различными скоростями, с
целью проверки того, существует ли сходство работы на какой-либо из них с
педалированием на опытном образце.
Оценочное исследование
Предварительно был проведен тест на многократность и пригодность
системы сопротивления, встроенной в опытный образец для контроля за
нагрузкой, с помощью системы из 8 магнитов. Это исследование проводилось
в две фазы, одна из них – оценка механического аспекта, а другая - оценка
человеческого аспекта.
Оценка механического аспекта. С помощью двигателя в 1200 Вт к оси
заднего металлического колеса был приспособлен дополнительный зубчатый
механизм. Он был прицеплен обычной цепью к второстепенному педальному
диску системы SRM. Таким образом стало возможным произвести большое
количество повторов, в течение которых педальный диск заставили вращаться
от 20 до 150 об./мин. с целью определить, существуют ли отличия между
несколькими повторами в течение одного и того же дня, а также и в разные
дни.
Оценка человеческого аспекта. С участием 4 испытателей было
изучено воздействие различных сопротивлений, которыми располагал
опытный образец, на рабочую мощность, pегистрировавшуюся с помощью
программного обеспечения SRM при различных ритмаx, с целью проверки
того, существуют ли отличия между различными результатами для разныx
испытателей.
Участники испытаний
В испытаниях для данного исследования приняли участие в общей
сложности 9 человек (7 мужчин и 2 женщины, с весом тела 72±10 кг, в
возрасте 29±3 años), в различном физическом состоянии. Они были
предварительно проинформированы о порядке проведения испытаний, а
также о возможных последствиях и о риске, которому они могли бы
подвергнуться в связи с выполнением предложенных тестов.
Порядок проведения испытаний
В рамках данного исследования были проведены 4 теста
длительностью по 3 минуты, осуществленные на каждом из отобранных
эргометров: педалирование на опытном образце велоэргометра при 50
об./мин. (PCE), педалирование на обычном велоэргометре при 50 об./мин.
(SRM), бег 7 км/ч-1 на бегущей дорожке с наклоном 12,5 % (7 км), и бег 17
км/ч-1 на бегущей дорожке с наклоном 5 % (17 км). Тесты проводились в
рандомизированном порядке, с целью избежать любой возможности
воздействия какого-либо одного из них на другие.
Перед началом теста испытатели производили разминку на обычном
велоэргометре при 100 Вт в свободном ритме, в течение 10 минут.
Переменные величины
С целью установления сходств и различий для описанных выше
испытаний, по каждому из них были проанализированы различные
переменные величины.
Рабочая нагрузка: Определялась на основе постоянной нагрузки 2,4 Вт на кг-1
массы тела.
Частота сердечных сокращений (HR): Регистрировалась полностью в течение
каждого испытания, каждые 15 секунд с помощью измерителя частоты
сердечных сокращений (Polar®. Финляндия).
Электромиографические сигналы (EMG): Регистрировались на отрезке
времени между минутами 2:00 и 2:30 при частоте 1 кГц. Во всех случаях
регистрировались данные для мышц правой ноги: латеральной широкой
мышцы бедра (VL), прямой мышцы бедра (RF), подвздошно-поясничной
мышцы (PS), медиальной широкой мышцы бедра (VM), большой ягодичной
мышцы (GM), полуперепончатой (SM), икроножной (G) и камбаловидной
мышцы (S). Путем анализа электромиографии был определен средний
потенциал активации (MAV) каждой мышцы. Это значение рассчитывалось
на основании присоединенного электромиографа (EMG) и времени каждого
из сокращений, а представлялось оно как процент максимального значения,
достигнутого при максимальном изометрическом сокращении (сгибании или
разгибании колена). Также был определен градиент EMG (RER - коэффициент
необнаруженных ошибок) на начальных 75 м, который рассчитывался как
увеличение ∆EMG/∆Время и также представлялся как процент MAV при
максимальном изометрическом сокращении. И затем была проанализирована
медиана частоты активации (MDF), которая рассчитывалась как частота
мышечной активации, наиболее часто повторявшаяся при каждом из
сокращений.
Шаблон мышечных сокращений: Был проанализирован для всех испытаний,
с целью определения порядка, по которому сокращается каждая из
проанализированных мышц в каждом из проведенных тестов.
Частота движения: Число сокращений в минуту по каждой из
проанализированных мышц
Средняя длительность сокращения: Среднее количество времени, в течение
которого каждая из мышц, проанализированных в течение испытаний,
находилась в сокращенном состоянии.
Диапазон движения: Был проанализирован на основании углов, образованных
бедренным и коленным суставами между максимальным сгибанием и
разгибанием, требующимися на каждом из эргометров.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оценочное исследование
Оценка механического аспекта. Для оценки работы эргометра было
проведено 8 испытаний с измерением ритма и мощности, каждое из ниx – в
возрастающей форме с магнитным сопротивлением 7 (минимальное
сопротивление). На основании каждого из испытаний была определена
прямая регреccии, которая связывала оба параметра, причем средняя величина
коэффициента соотношения была R=0,99±0,1. После получения прямой
регрессии были рассчитаны теоретические значения ритма для получения
мощностей 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 Вт по каждому из предварительно
проведенных испытаний, причем были получены результаты соответственно
43±1, 56±2, 70±2, 83±3, 97±3, 110±4, 124±5 и 137±6 об./мин.
Оценка человеческого аспекта.
На прямой регрессии, полученной на основании значений ритма-мощности,
рассчитывавшихся для различных позиций магнитных сопротивлений PCE,
показан средний коэффициент соотношения R=0,94±0,4. Ритмы, оценка
значений которых была произведена на основании этих прямых регрессии, в
целях определения рабочих мощностей были рассчитаны с сопротивлениями
7, 5, 3 и 2 (от большего расстояния между магнитами и колесом – к
меньшему) для 100 Вт (соответственно 71,1±2; 57,4±2; 32,7±1;18,8±1
об./мин.), для 150 Вт (соответственно 98,6±6; 76,5±3; 46,3±1; 28,1±1об./мин.) и
для 200 Вт (соответственно 126,1±10; 95,6±4; 59,8±2; 37,4±1 об./мин.).
Измерения, произведенные во время испытаний
Рабочая нагрузка (CT): на PCE (170±22 Вт) не отличалась от таковой ни на
SRM (169±17 Вт), ни на дорожке 7 км (171±2 Вт), ни на дорожке 17 км
(170±23 Вт).
Частота сердечных сокращений (HR): на PCE (151±13 уд./мин.) была больше,
чем на SRM (136±15 уд./мин) (уд.<0.05) и меньше, чем на дорожке 17 км
(170±23 Вт) (уд.<0.05), хотя не отличалась от полученной на дорожке 7 км
(154±11 уд./мин).
Частота сердечных сокращений, измеренная в ходе эксперимента для PCE, SRM, дорожек 17 км и 7 км при
одинаковой рабочей нагрузке (2,4 Вт на кг-1 массы тела).
(*) Частота сердечных сокращений. Отличается для PCE (уд.<0.05)
Электромиографические сигналы (EMG):
MAV: Для разгибающих мышц колена и сгибающих мышц бедра на PCE был
на 45 % выше, чем на SRM (уд.<0.05) и на 49 % выше, чем на бегущей
дорожке 7 км. Однако для сгибающих подошвенных мышц на PCE он был на
106 % меньше, чем на SRM и на 307 % меньше, чем на дорожке 17 км.
RER: Для подошвенныx сгибающиx мышц это значение было на 34% меньше,
чем на SRM (уд.<0.05) и на 290% меньше, чем на дорожке 17 км, a для
разгибающиx мышц колена и сгибающиx мышц бедра этот показатель для
PCE был на 126% меньше .
MDF: Различий между тестами не наблюдалось.
Шаблон мышечных сокращений: Различий между SRM и PCE обнаружено не
было, однако оба они отличались от шаблонов, описанных в обоих тестах для
бега.
Шаблон активации педалирования
Шаблон активации педалирования
ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ PCE
ОБЫЧНЫЙ SRM
Шаблон активации бега
Шаблон активации бега
7 км/ч, уклон 12,5%
17 км/ч уклон 5%
Частота движения: Анализировалась в VL для SRM, PCE, 7 км и 17 км, и
значения ее оказались равными соответственно 49±0,9; 49±0,8; 76,2±2,9; y
89,6±4,6 сокращений в минуту.
Средняя длительность сокращения: При измерении ее в разгибающих мышцах
колена наблюдается, что для PCE она больше, чем для SRM по RF, PI и VL
(34,7±5,6; 44,1±1,0; 25,6±4,4 против 27,1±1,8; 35,9±1,4; 24±3,2 s·мин-1)
(уд.<0.05), причем эти значения оказались больше, чем те, которые были
получены во время испытаний по бегу для всех мышц (уд.<0.05).
Диапазон движения: Измеряя его в коленном суставе, мы обнаружили, что на
PCE он измерялся в 111º (44º-155º), тогда как на SRM – в 51º (84º-135º). При
измерении в бедренном суставе мы обнаружили, что на PEC он был 83º (62º145º), тогда как на SRM – 41º (65º-104º).
ОБЫЧНЫЙ SRM Максимальное разгибание
бедра (104,0º) и колена (134,9º)
ОБЫЧНЫЙ SRM Максимальное сгибание
бедра (65,5º) и колена (83,7º)
ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ PCE Максимальное
разгибание бедра (145,2º) и колена (154,4º)
ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ PCE Максимальное
сгибание бедра (62,2º) и колена (43,9º)
ВЫВОДЫ
Одна и та же рабочая нагрузка, осуществленная на PCE и на беговой дорожке
7 км, вызывает сходную частоту сердечных сокращений, тогда как на SRM эта
интенсивность вызывает более низкий сердечный ритм, а на дорожке 17 км –
более высокий. Более высокий сердечный ритм на PCE по сравнению с SRM
может быть вызван большей длительностью сокращения разгибающих мышц
колена, которая, возможно, обусловлена более широким диапазоном
движения, являющимся следствием переноса назад оси педалирования и
увеличения длины тяги.
Исследование показывает, что педалирование на PCE вызывает активацию
разгибающих мышц колена и сгибающей мышцы бедра, сходную с той,
которая возникает при беге со скоростью 17км/ч-1, и более высокую, чем при
педалировании на обычном велоэргометре. Тем не менее, активация
сгибающих подошвенных мышц голени при педалировании на PCE была
более низкой, чем при педалировании на обычном велоэргометре или при
беге с высокой скоростью. Различия в наблюдавшихся реакциях могут
отчасти объясняться различиями в мышечной активации.
Возможно дальнейшее изучение эффективности опытного образца для целей
тренировки и реабилитации, в связи с наблюдаемой при его использовании
высокой мышечной активностью, включая те мышцы, активация которых
труднодостижима на обычном велоэргометре.
РЕКОМЕНДАЦИИ
Оценочное исследование
1. На основании анализа результатов мы пришли к выводу о возможности
замены системы перемещения магнитов, в связи с тем, что в некоторых
случаях их необходимо передвигать вручную для установки в
правильное положение.
Анализ движения
1. В связи с тем, что тяги являются длинными, мышцы ног проделывают
большой путь, что могло бы стать причиной травм сгибающих мышц
бедра
2. Возможно, тяга меньшей длины могла бы дать сходные результаты
3. Было бы необходимо разработать механизм поднятия сиденья,
который не сокращал бы расстояния между вертикалью сиденья и осью
педалирования, чтобы все пользователи могли располагать сходными
биомеханическими характеристиками.