Biomechanika
Wykład: „Sterowanie ruchem”
Sterowanie ruchem można opisać zarówno z punktu widzenia neurofizjologii jak i cybernetyki.
Skoncentrujemy sie na sterowaniu ruchem w ujęciu cybernetyki. W wychowaniu fizycznym i fizjoterapii sterowanie ruchami występuje pod pojęciem koordynacji ruchów dowolnych. Koordynacja jest to współdziałanie układu nerwowego i mieśniowego. Rozpatrywanie koordynacji to analiza współdziałania układu nerwowego z układem mieśniowym, a właściwie podporządkowanie tego ostatniego układowi nerwowemu. Mówimy raczej o sterowaniu. Układ nerwowy ( układ sterowania) steruje układem ruchu ( układ sterowany). W odniesieniu do ruchów ciała ludzkiego można mówić o sterowaniu jako procesie nerwowo-mięśniowym.
Sterowanie odbywa sie w układzie otwartym i zamkniętym: sterowanie w układzie zamknietym nazywa się regulacją.
Pojęcie sterowania i regulacji.
Sterowanie definiuje sie jako celowe oddziaływanie na przebieg procesu realizowanego w układzie otwartym lub zamkniętym.
Podstawą sterowania ruchami w układzie otwartym lub zamkniętym jest przebieg sygnału od układu sterującego do sterowanego i informacji zwrotnej do układu sterującego.
Podczas realizacji ruchu w układzie otwartym nie ma czasu na skorygowanie sygnału, czyli na jego regulację, gdy nastąpiło zakłócenie; (zbyt krótki czas trwania zadania ruchowego)
W układzie zamkniętym, gdy następuje zakłócenie jest przesyłana informacja zwrotna i można skorygować zakłócony sygnał nowym sygnałem. W takim procesie termin „ sterowanie” może być zastąpiony pojęciem „ regulacja”.
Jakość procesu sterowania ruchem
Sterowanie ruchami człowieka to proces nerwowo-mięśniowy. Miarą sprawności tego procesu może być porównanie jakości wykonania ruchu z jego założeniem tj programem.
W cybernetyce stosuje sie określone kryteria jakości układu sterowania, które uściślaja nam jego ocenę. Do kryteriów jakości układu sterowania ruchem wg A. Komora należą:
1. dokładność sterowania: regulator powinien zapewnic możliwie najmniejszy błąd między sygnałem zadanym a wyjściowym
2. kryterium stabilności: operator powinien zapewnić powrót do stanu równowagi po ustaniu zakłócenia
3. czas regulacji: czas trwania przebiegu przejściowego, tzn. Czas po jakim obiekt sterowany przyjmuje zadany stan z określoną dokładnością
4. maksymalne pasmo przenoszenia: regulator powinien zapewnić właściwe regulowanie układu sterowanego przy maksymalnie dużych prędkościach
Kryterium jakości procesu sterowania ruchem: dokładność, stabilność, czas regulacji, maksymalne pasmo przenoszenia.
Sprzężenia proste i zwrotne
W przypadku sterowania w układzie otwartym mówimy o sprzężeniu prostym. Sygnał idzie w jednym kierunku. Od układu sterującego do sterowanego.
W układzie zamkniętym poza sygnałem sterującym od układu sterującego do układu sterowanego powstaje również sygnał zwrotny. Mówimy wtedy o sprzężeniu zwrotnym.
W technice rozróżnia się dwa rodzaje sprzężenia zwrotnego: ujemne i dodatnie.
Sprzężenie dodatnie oznacza, że każda kolejna poprawka wzmacnia sygnał pierwotny. Sygnał ten narasta. Przyjmuje się, że w organiźmie według tego sterowania przebiega proces prowadzący do wytrysku nasienia lub kichnięcia.
Najczęściej mamy do czynienia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, które zapewnia homeostazę. W tym przypadku mamy ciągłe porównywanie sygnału wyjściowego z zadanym. I w komparatorze formułowane jest wzmocnienie lub osłabienie sygnału.
Na przykład utrzymanie stałego stężenia osmotycznego, stałej temperatury czy stałego napięcia mięśniowego. Wartości są stałe w pewnych granicach, w obszarach homeostazy.
Ich utrzymanie jest możliwe w obszarze stacjonarności, w którym dana funkcja ( zadanie) może być jeszcze utrzymane, dopiero wyjście poza ten obszar stanowi niepowodzenie ( np. Upadek tracącego równowagę ciała).
Struktura układu programowania i sterowania ruchami przez człowieka.
Schemat Czchaidze przedstawiający ogólną koncepcje Bernsteina przybliża rzeczywiste i struktury procesów powstajacych na drodze sprzężenia między układem nerwowym i mięśniowym.
Schemat obejmuje część programującą, do której zaliczamy nasze mózgowie z ośrodkami czuciowymi, ruchowymi i asocjacyjnymi. Tutaj powstaje program działania, który ma 2 istotne części: świadomą, ukierukowaną na cel, i wykonawczą opartą na nabytych doświadczeniach motorycznych.
W tworzeniu programu ruchu uczestniczy myślenie świadome ( co robić?) i pamięć motoryczna ( jak robić?).
Dlatego też w pełni uzasadnione są koncepcje nauczania motorycznego odwołujące się do świadomości i zrozumienia zadania podczas podczas uczenia się określonej struktury ruchowej.
Program ruchu w koncepcji Bernsteina składa sie z dwóch części: znaczeniowej i wykonawczej.
Bernstein przyporządkował poszczególnym strukturom anatomicznym określone poziomy działalności koordynacyjnej i rodzaje ruchów.
Na poziomie jądra czerwiennego i rdzenia kręgowego realizują sie odruchowe napięcia mięśni oraz utrzymanie postawy ciała w staniu i w locie.
Na poziomie wzgórza wzrokowego i gałki bladej mamy koordynację ruchów segmentów ciała i lokomocję( bieg, skok, chód jako podklad do innych ruchów) .
Na poziomieukładu piramidalnego i ciała prążkowanego następuje koordynacja ruchów ciała z otoczeniem, polegająca na dostosowaniu do zmiennego podłoża bądź przyboru. Rodzaje ruchów przypisane na temu poziomowi to biegi, skoki, rzuty, uderzenia i rzuty do celu i pływanie.
Poziom płata ciemieniowego i pola przedruchowego lokalizują koordynację cześci znaczeniowej działań z przedmiotami. Może sie to wyrażać w działaniu produkcujnym i techniczno-taktycznym w sporcie.
Poziom wyższych ośrodków korowych koordynuje część znaczeniową działań na symbolach i ruchy symboliczne ( np. Aktora, mima, muzyka)
W tym schemacie na poziomie najwyższym – mózgowia, wyróżnia się dwie części, odpowiadające dwóm pierscieniom zwrotnym: wewnętrznemu i zewnętrznemu.
Te części, to mechanizmy porównujące: porównanie dotyczy tego, co programujemy i zadajemy, z tym, co zdarza sie na obwodzie.
Pierscień zewnetrzny jest związany z częścią znaczeniową programu ruchu, a zewnętrzny z częścią wykonawczą. Pierścień wewnętrzny jest podporządkowany zewnętrznemu.
W programowaniu świadomych ruchów dowolnych istotną rolę spełnia analiza stanu własnego ciała i bodźców zewnetrznych. Bodźce te płyną dwoma torami:
(a) wewnętrznym sprzężeniu zwrotnym, czyli od receptorów czucia wewnętrznego i proprioceptorów, drogami czuciowymi ( eferentnymi) przez rdzeń kręgowy do ośrodków kojarzeniowych mózgowia
(b) zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym, czyli od eksteroreceptorów i telereceptorów nerwami dośrodkowymi ( aferentnymi) do mózgowia.
Przy tworzeniu programu brane są pod uwagę informacje o tym, co jest „ na zewnątrz”, oraz o tym, jaki jest stan naszego ciała – układu ruchu.
Prorogram może dotyczyć ruchu:
(a) krótko trwającego, bądź (b) długo trwającego,.
W pierwszym przypadku ruch jest wykonywany według programu powstałego przed jego realizacją, w drugim zaś według programu powstałego przed realizacją, ale w jej trakcie jest dodatkowo regulowany.
Pętlę sprzężenia zwrotnego zamykają prioprioceptory czyli czucie kinestetyczne. Do podstawowych należą receptory czułe na rozciąganie mięśni, tj. Zmiany długości i prędkości tych zmian. Są to spiralne zakończenia wrzecionek mięśni.
Receptorami czułymi na siłe wyzwalaną przez mięsień są tzw. Organy Golgiego znajdujące sie w ścięgnach; aby wywołać ich reakcję, wystarczy rozciągnięcie o 0,8%.
Receptory czułe na zmiany kąta w stawie i prędkość tej zmiany to receptor stawowy w postaci ciałka Vater Pacciniego i Ruffiniego.
Kanały półkoliste ucha wewnętrznego informują o kącie położenia głowy ( ciała) i przyspieszeniu kątowym.
O położeniu pionowym ciała informuje łagiewka w przedsionku ucha wewnętrznego, reagująca na kierunek działania siły grawitacji i na przyspieszenie liniowe.
Pętla sprzężenia zewnętrznego zamyka sie przez środowisko zewnętrzne. Informacje odbierane sa przez telereceptory : wzrok, którym oceniamy polozenie liniowe, kątowe i prędkość ciała, oraz słuch, pozwalający na ocenę odległości od źródła dźwięku i kierunek dźwięku.
Ponadto wykorzystujemy kontaktoreceptory ( eksterorecepcja) np. Bólu, ucisku i dotyku. Te ostatnie są umieszczone w skórze dostarczają informacji o sile dotyku i progu przestrzeni.
Częstotliwośc bodźców i czas obiegu informacji
Na obieg informacji przez pętle sprzężenia zwrotnego ( zewnętrznego i wewnętrznego ) potrzebny jest czas.
Jest to czas pokonania drogi od motorycznej części mózgowia przez móżdżek, rdzeń kręgowy, nerwami obwodowymi do mięśni przez synapsy nerwowo-mięśniowe i wreszcie czas pokonania drogi powrotnej.
Do opóźnień dochodzi na synapsach z uwagi na złożone procesy chemiczne. Czas ten jest zależny od rodzaju i długości włókien nerwowych.
Na przykład prędkość przewodzenia impulsu nerwowego we włóknach nerwowych grupy alfa, tj z osłonką mielinową wynosi od 20 do 120 m/s. Do tego dochodzi sprawność receptorów.
Przyjmuje się, że drogi wewnętrzne jako filogenetycznie starsze są sprawniejsze.
Częstotliwość obiego informacji w pętli sprzężenia wewętrznego i zewnętrznego jest różna.
Impulsy na drodze pętli sprzężenia wewnętrznego przebiegają z częstotliwością 10-12 Hz. Pętla sprzeżenia zewnętrznego przenosi częstotliwość mniejszą, bo zaledwie 2-3 Hz.
Podział ruchów dowolnych na krótko i długo trwające.
W przypadku ruchów krótko trwających, czynne jest sprzężenie proste.
Jest to droga przez rdzeń kręgowy, synapsy nerwowo-mięśniowe do mięśnia kończyny.
Mięśnie całego ciała lub wybranego segmentu ciała poprzez dźwignie kostne wykonują pracę zewnętrzną, mechaniczną. Segmenty ciała są przemieszczane względem siebie; współdziałają one lub przeciwdziałają sile zewnętrznej i wykonują pracę uzyteczną.
Ruch trwa krótko i nie ma czasu na wprowadzanie dodatkowego korygującego bodźca. Czas przebiegu takiego bodźca w pętli sprzężenia wewnetrznego wynosi od 0,08 do 0,1 s. W literaturze ruchy takie są czasami nazywane ruchami balistycznymi ( od przebiegu krzywej napięcia mięśnia)
Ruchy takie ( uderzenie, kopnięcie piłki, odbicie w skoku w dal) realizują się w sprzężeniu prostym, aczkolwiek po fakcie jesteśmy świadomi ich przebiegu i możemy je analizować.
W ruchach trwających długo spełniony jest zasadniczy warunek: zadanie ruchowe musi trwać dłużej. Czas ich trwania wynosi wiecej niz 0,2 s.
Jest czas na odebranie informacji i wysłanie następnego korygującego sygnału. Są to ruchy sterowane w trakcie ich trwania.
Sterowanie współdziałaniem mięśni w stawie o jednym stopniu swobody.
Jeżeli w stawie pominiemy działanie innych sił ( np. Grawitacji) stanie się on biomechanizmem, gdy bedą go obsługiwały dwa mięśnie wywołyjące antagonistyczne momenty sił.
W przypadku stawu łokciowego możliwe jest zginanie i prostowanie ( oczywiscie przy pominięciu ruchu w stawie promieniowo-nadgarstkowym dalszym) Mamy więc 1 stopień swobody. Jest to więc staw V -tej klasy. Jednostawowymi mięśniami realizującymi te funkcje są zginacz m.Brachialis i prostownik m. Triceps brachii caput laterale.
Sterowanie momentami sił tych mięśni może byc następujące:
pobudzony jest zginacz i równocześnie następuje hamowanie prostownika. Jest to przykład koordynacji równoczesnej: pobudzony agonista i hamowany antagonisty.
Pętla sprzężenia zwrotnego zamyka sie na drodze wewnętrznej: z receptorów stawowych wracają do układu nerwowego informacje o zgięciu stawu łokciowego i prędkości jego zginania. Od receptorów ścięgnistych mięśnia zginacza pochodzi informacja o sile wyzwalanej przez ten mięsień.
Od wrzecionek rozciąganego mięśnia prostownika pochodzi informacja o zmianie jego długości i prędkości tej zmiany.
Przy dużej prędkości ruchu w końcowej fazie jego zakresu, szczególnie gdy istnieje zagrożenie uszkodzenia części miękich stawu następuje reakcja na sygnał z wrzecionek mięśniowych, powodująca pobudzenie mięśnia prostownika. Nazywa się to koordynacją następczą.
To pobudzenie wyzwolimoment siły hamującej prostowanie – działanie ekscentryczne mięśnia – aż do zatrzymania ruchu.
Oczekujemy wtedy hamowania pobudzenia zginacza.
Wymiana pobudzenia między prostownikiem a zginaczem powinna być równoczesna. .
Jest to najprostszy przypadek sterowania dwoma antagonistycznymi mięśniami. Zostału tu uruchomione sterowanie w pętli sprzężenia zwrotnego. Głównie w postaci sterowania wewnętrznego. Własciwie zadziałał tu odruch w reakcji na rozciąganie.
Inaczej przebiega sterowanie w pętli zamkniętej w przypadku sterowania ruchem łańcucha kinematycznego.
Zaprezentuję to na przykładzie eksperymentu przeprowadzonego przez S. Korneckiego( 1985).
Eksperyment polegał na pchaniu kończyną górną trzymanego w dłoni drążka prosta przed siebie( jakby w ścianę). Badany siedział w fotelu twarzą do tej ściany mając ustabilizowany tułów, a odległość między stawem barkowym i ścianą była stała.
W badaniu przeważało izometryczne napięcie mięśni.
Zadanie polegało na pchaniu drążka w kierunku ściany z maksymalną siłą, która była rejestrowana.
Kończyna była w następującej pozycji:
ramię uniesuniesione na tyle, by kąt między ramieniem i poziomem wynosił około 30 stopni, w stawie łokciowym kąt ( wewnętrzny wynosił około 120 stopni, przedramię było w położeniu pośrednim pronacyjno-supinacyjnym, a dłoń ( w przedłużeniu przedramienia trzymała drążek)
Możliwe były minimalne ruchy: przodozgięcie ramienia ( 1 st swobody), prostowanie stawu łokciowego ( 1 st swobody) i zginanie dłoniowe lub grzbietowe w stawie promieniowo nadgarstkowym ( 1 stopień swobody)
Z położenia kończyny i kierunku pchania wynika, że siła pchania pochodziła od mięśni wyzwalających moment siły przodozginania ramienia ( np. Naramienny cz przednia, od mięśni prostujących staw łokciowy ( triceps brachii) a utrzymanie drążka poziomo w kierunku ściany wymagało zaangażowania mięśni dłoni i przedramienia trzymających drążek, które spełniały funkcje stabilizacyjną stawu promieniowo-nadgarstkowego.
Ten staw to ważne ogniwo w spełnieniu zadania, czyli przeniesieniu momentu siły mięśni stawu ramiennego i łokciowego na obiekt zewnętrzny.
Skuteczne przeniesienie momentu siły wymagało czynnej stabilizacji stawu promieniowo -nadgarstkowego przez mięśnie dłoniowej i grzbietowej strony przedramienia.
Gdy drążek był sztywno związany ze ścianą stabilizacja nie nastręczała problemu. Następowało tylko sterowanie siłą dwóch grup mięśni działających na dwa stopnie swobody łańcucha kinematycznego. W takim przypadku siła rejestrowana na dynamometrze była maksymalna( 100%) jaką mogły wyzwolić mięśnie pchające.
Następnie warunki były zmienione, stosując drążek z przegubem, który mógł uchylać się w prawo i w lewo ( 1 st swobody), czyli możliwe było zginanie grzbietowe i dłoniowe w stawie promieniowo-nadgarstkowym.
Doszedł kolejny stopień swobody łańcucha kinematycznego. Zmieniły się warunki pracy mięśni obsługujących ten staw. W nowych warunkach wyzwalana siła była 25% mniejsza niż poprzednio.
Dlaczego mięśnie pchające stały się nagle mniej skuteczne, chociaż warunki dźwigniowe dla nich się nie zmieniły.
Interpretacja:
Przenoszenie siły mięśni pchających w drugim eksperymencie ( ruchomy drążek) wymaga stabilizacji ogniwa pośredniego, czyli stawu promieniowo-nadgarstkowego. EMG wskazywało, że następował wtedy spadek napięcia elektrycznego mięśni pchających i wzrost aktywności elektrycznej mieśni stabilizujących.
Pchanie z dużą siłą mogło powodować odchylenie drążka ze stanu równowagi, czyliwychylać go w kierunku zgięcia dłoniowego lub grzbietowego.
By temu zapobiec, konieczne było wzmożenie aktywności mięśni przedramienia i spadek siły wyzwalanej przez mięśnie pchające. Cały układ zachowywał sie „ rozsądnie” tj nie miało sensu mocne pchanie, gdy drążek się wychylał, bo to by tylko pogorszyło sytuację – siła nie byłaby skierowana w właściwym kierunku.
Trwała więc gra między mięśniami pchającymi a stabilizującymi.
Dzięki regulacji w układzie zamkniętym, w którym istotną rolę spełniały receptory, zadania ruchowe są nie tylko realizowane, ale mogą także cechować sie pewnym „rozsądnym gospodarowaniem” siłą czy energią.
Program pchania powstaje w korze mózgowej. W móżdżku dochodzi prawdopodobnie do korekty programu, gdzie program jest orównywalny z informacją od receptorów. Bodziec w obie strony ( dośrodkowy i odśrodkowy) przechodzi przez rdzeń kręgowy. Pobudzane są prostownili, które przez układ kostny przenoszą siłę na układ zewnętrzny, „po drodze” mając staw promieniowo-nadgarstkowy.
W pierwszym eksperymencie sztywny drążek nie wywoływał zakłócenia. Było to sterowanie w pętli sprzężenia prostego.
W drugim eksperymencie mamy sterowanie z regulacją i czynną pętle wewnętrznego sprzężenia zwrotnego.
Zakłócenie w postaci ruchomego drążka było odbierane przez czucie proprioceptywne, w którym, być może główną rolę odgrywały wrzecionka mięśniowe czułe na rozciąganie mięśni przedramienia : dłoniowe i grzbietowe, w zależności od kierunku wychylenia drążka, oraz receptory ścięgniste. Informacja o wychyleniu drążka wraca przez rdzeń kręgowy do móżdżku i następny sygnał do prostowników każe : „zmniejszyć siłę, bo układ się wywraca”
Spadek siły ułatwia wprowadzenie drążka na właściwą pozycję i pętla sprzężenia zwrotnego działa przez cały czas trwania eksperymentu.
To, że rejestrujemy mniejszą siłę na dynamometrze , nie znaczy, że mięśnie prostowniki działają wciąż tak samo, a siła ta została rozłożona na składowe boczne, lecz że działają one z mniejszą siłą( „ rozsądnie”), by jej przenoszenie przez układ niestabilny było w ogóle możliwe.
Jest to typowy układ regulacji ze sprzężeniem ujemnym zapewniającą homeostazę, czyli drążek nie wychyla sie poza bezpieczny stan równowagi, umożliwiając przenoszenie siły na obiekt zewnetrzny.
Utrzymanie pozycji stojącej ciała jako szczególny przykład sterowania ze sprzężęniem zwrotnym.
Utrzymanie pozycji pionowej, (np w normalnej postawie stojącej, wymaga aktywnego zaangażowania mięśni, które z uwagi na swoja rolę nazywa sie antygrawitacyjnymi.
Konstrukcja układu kostno-stawowowo-mięśniowego człowieka to w znacznej mierze konstrucja odwróconych wachadeł:
podudzia opieraja się na bloczkowych stawach skokowo-goleniowych, uda na zawiasowych stawach kolanowych, kości miedniczne na kulistych stawach biodrowych, wreszcie tułów wsparty na kręgosłupia również ma segmenty ruchome względem siebie i względem miednicy.
We wszystkich tych stawach można wykonywać ruchy obrotowe, a utrzymanie segmentów w równowadze wymaga napięcia mięśni.
Wzajemne oddziaływanie momentów sił pochodzących z grawitacji i momentów sił wyzwolonych przez napięcie mięśni powoduje, że każdy segment( względem niżej położonego) oraz całe ciało ( względem powierzchni podparcia) sa w ruchu.
Istnieje pewien obszar zawarty w obrębie podparcia( stóp), w którym bezpiecznie zachowujemy pozycję stojącą.
Efektem procesu nerwowo-mięśniowego utrzymania ciała w postawie stojącej jest zachowanie wypadkowej siły reakcji podłoża na akcję mięśni i siły grawitacji w pewnym obszarze.
Punkt położenia tej siły wypadkowej przemieszcza się w tym obszarze, a zakres tych przemieszczeń w normalnej, niezakłóconej pozycji stojącej szacuje sie na 20mm we wszystkich kierunkach.
Częstotliwość zmian kierunku na 2-5 Hz, a nawet poniżej 1Hz.
Badania rejestracji tych wychwiań nazywa się stabilografią.
Stabilność, lub inaczej stateczność, jest to własność obiektu ( układu) biologicznego polegająca na tym, że małe zmiany pobudzenia lub warunków zewnętrznych wyzwalaja małe zmiany jego stanu równowagi.
U człowieka zmiany pobudzenia mięśni zachodzą ciągle. Do sił zewnętrznych należy grawitacja.
Wzajemne oddziaływanie momentu siły grawitacji i zmiennych momentów sił wyzwolonych przez mięśnie utrzymujące ciało w postawie stojącej powoduje jego ruch.
Ruch ten można przedstawić w postaci wypadkowej siły grawitacji i siły reakcji wywołanej zmianami nacisku stóp na podłoże.
Człowiek w postawie stojącej ulega ciągłemu chwianiu. Taki stan stabilności nazywamy stabilnością nieasymptotyczną – czyli stabilnością w pewnym obszarze.
Ciało człowieka z punktu widzenia biomechaniki może być rozpatrywane jako system wielu segmentów, które w pozycji stojącej opiera sie jeden na drugim, tworząc wiele wachadeł odwróconych, znajdujących się w stanie równowagi chwiejnej.
Zachowanie równowagi ciała w postawie stojącej realizuje się przez proces regulacji w pętli sprzężenia zwrotnego, w której układem sterującym jest układ nerwowy, a układem poddanym regulacji – układ ruchu.
Jest to przykład regulacji...
beniar14