Аппаратно-программный комплекс для эргодинамометрических и психофизиологических исследований

Полезная модель относится к медицине и спорту, а именно к устройствам для интегральной экспресс-оценки функционального состояния организма человека и может быть использована в физиологии труда и спорта, а также для решения научно-исследовательских и прикладных задач адаптивной, спортивной, профессиональной и клинической медицины.

Технический результат полезной модели - расширение функциональных возможностей и областей применения комплекса, повышение точности, воспроизводимости и объективности результатов исследований, а также доступности и производительности процедур исследования, реализуемых сего помощью.

Аппаратная часть комплекса содержит два произвольно модифицируемых под решение конкретных исследовательских задач однотипных нагрузочных пружинных механизма, каждый из которых снабжен силоизмерительным датчиком и преобразователем механических смещений нагрузочных платформ в эквивалентный электрический сигнал, выполненным в виде пары постоянного магнита и датчика Холла, устройство для регистрации пространственного положения нагрузочных пружинных механизмов во время тестирования, датчики функций систем вегетативного обеспечения, усилители постоянного тока и электрических биосигналов, электрически соединенные через многоканальный АЦП с входами внешних асинхронных портов ПЭВМ.

Программная часть комплекса включает адаптированные к современным ПЭВМ программы визуализации на экране монитора пространственного положения пружинных нагрузочных механизмов относительного ограничительных штанг и перемещения обоих световых индикаторов положения

нагрузочных платформ относительно друг друга при активном физическом воздействии на них по жестким алгоритмам с возможностью выбора нескольких режимов проведения эргодинамометрических и психофизиологических исследований с использованием аппаратной части комплекса, а также математико-статистической обработки частотных, амплитудных, временных и скоростных параметров регистрируемых показателей с возможностью автоматического составления индивидуального интегрального психофизиологического профиля человека.

Полезная модель относится к медицине и спорту, а именно к устройствам для интегральной экспресс-оценки функционального состояния организма человека и может быть использована в физиологии труда и спорта, а также для решения научно-исследовательских и прикладных задач адаптивной, спортивной, профессиональной и клинической медицины.

Известны эргодинамометрические устройства для определения физиологических показателей - максимальной силы, количества и мощности выполненной работы в пределах 1-3 с, характеризующих алактатный механизм энергообразования при совершении мышечных движений в изотоническом режиме - изометрические динамометры, в том числе кистевые динамометры, изотоническом режиме - изотонические динамометры или в изокинетическом режиме - изокинетические динамометры [1, 2, 3, 4]. Все типы этих устройств обладают существенными недостатками. Изометрические динамометры позволяют измерять силу мышц, но не позволяют измерять мощность работы, поскольку при изометрических сокращениях не выполняется механическая работа, так как в процессе тестирования отсутствует перемещение нагрузочных платформ. Современные изотокинетические и изотонические динамометры, в отличие от изометрических динамометров, позволяют измерять не только силу, но и работу, и мощность мышечных сокращений, выполняемых в одном случае с постоянными скоростями, а в другом - с постоянной силой до предела технических возможностей, заложенных в конструкции конкретного динамометра. Однако, несмотря на это, существенным ограничением для их использования является то обстоятельство, что результаты тестирования имеют ограниченное применение, поскольку

большинство видов спортивных упражнений выполняются ни в чисто изометрическом, ни в чисто изотоническом или изокинетическом режимах. Между тем для естественной деятельности скелетных мышц наиболее характерен ауксотонический режим, при котором изменяется не только сила мышечной тяги, но и угол сустава, обеспечивающего конкретное движение, в результате чего изменяется плечо силы тяги, а вместе с тем изменяются и развиваемая сила, и скорость движения. Существуют большие ограничения по их использованию и для тестирования мышц, обеспечивающих подвижность различных суставов, так как реальная сила и реальная скорость выполнения любого, в том числе и спортивного движения изменяются по сугубо индивидуальным зависимостям на протяжении всей амплитуды движения в конкретном суставе.

Все это обусловило необходимость разработки принципиально иного устройства, снабженного механизмом, обеспечивающим автоматическое возрастание сопротивления мышечному сокращению по мере изменения амплитуды перемещения костно-суставных образований, что позволит осуществлять перемещение нагрузочных платформ устройства с индивидуально воспроизводимой скоростью и силой сокращения и тем самым осуществить комплексную эргодинамометрическую оценку качеств движений в различных суставах с помощью одного и того же устройства.

В качестве прототипа выбрано устройство для исследования усилия сжатия кисти [5], содержащее два кистевых динамометра, закрепленные на корпусе динамометров силоизмерительные датчики, состоящие из упругих элементов с наклеенными на них тензорезисторами, блок питания, блок усиления и преобразования сигналов, блок обработки и визуализации данных. Важными преимуществами аппаратной части данного устройства является выполненный на основе тензорезисторов электронный узел преобразования механического давления на нагрузочные платформы динамометра в эквивалентный электрический сигнал и блок индикации электрических сигналов,

а также наличие технической возможности для исследования функциональной асимметрии кистевого жима. Важным преимуществом программной части данного устройства является наличие программы визуализации на экране монитора динамики выполнения теста кистевого жима. Однако при этом существенным недостатком его также является ограничение области применения только оценкой силы и тренированности мышц. Кроме того, данное устройство, также как и все предыдущие устройства [1, 2, 3, 4] не пригодно для проведения комплексных психофизиологических исследований, в результате чего не представляется возможным осуществление в экспресс-режиме интегральной оценки функционального состояния организма человека аппаратным способом.

Технический результат полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей и областей применения комплекса, повышении точности, воспроизводимости и объективности результатов исследований, а также доступности и производительности процедур исследования, реализуемых сего помощью.

Технический результат достигается тем, что в аппаратную часть комплекса дополнительно введены два однотипных нагрузочных пружинных механизма, выполненных в виде шарнирно соединенных с одного конца строго ориентированных относительно друг друга подвижной и опорной штанг, на которых жестко закреплены друг против друга поперечно расположенные с возможностью произвольного изменения местоположения нагрузочные платформы, снабженные симметрично расположенными посадочными местами для пружин - не менее двух с каждой стороны, при этом основание одной из нагрузочных платформ закреплено на подвижной штанге через упругий элемент, содержащий силоизмерительный датчик, например тензорезистор, набор пружин с однотипными размерам по торцам и различным сопротивлением сжатию, например 2,0, 1,0 и 0,5 мм/кг, комплект сменных наконечников, включающий закрепляемые на свободных

концах подвижной и опорной штанг ладонные и пальцевые рукоятки пространственно свободно расположенного нагрузочного пружинного механизма при тестировании кистевым жимом, закрепляемый на свободном конце подвижной штанги плоский упор с одновременной жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги нагрузочного пружинного механизма к общему основанию комплекса при тестировании контактным надавливанием различными участками тела, например ладонью, стопой, лбом и др., закрепляемые на свободном конце подвижной штанги гибкие тяги, снабженные подвижными упорами зажима тяг, выполненными с возможностью закрепления в различных положениях горизонтальной и вертикальной плоскостей с одновременной жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги нагрузочного пружинного механизма к общему основанию комплекса при тестировании усилиями, развиваемыми различными группами мышц исследуемых суставов, два преобразователя величины механических смещений нагрузочных платформ относительно друг друга в эквивалентный электрический сигнал, каждый из которых выполнен в виде пары постоянного магнита и датчика Холла, закрепленных друг против друга на нагрузочных платформах подвижной и опорной штанг, датчики функций систем вегетативного обеспечения, например, электроды для регистрации электрокардиограммы, миограммы и кожно-гальванической реакции, закрепляемые на теле человека, совмещенные с блоком питания два усилителя постоянного тока, входы которых соединены с силоизмерительным датчиком, датчиком Холла и электродами для регистрации кожно-гальванической реакции, а также электрокардиографический и миографический усилители, входы которых соединены с соответствующими датчиками функций систем вегетативного обеспечения, при этом выходы электрокардиографического и миографического усилителей и усилителей постоянного тока подсоединены через многоканальный АЦП к входам внешних асинхронных портов ПЭВМ, используемой в качестве блока обработки и визуализации

данных.

Кроме того, аппаратная часть комплекса дополнительно содержит установленные на обеих опорных штангах нагрузочных пружинных механизмов зажимы для механического закрепления сменных контактных колец, набор сменных контактных колец различного диаметра, например 10, 20, 50 мм и общее основание комплекса, на котором жестко закреплены симметрично расположенные два зажима для механического закрепления опорных штанг и две ограничительные штанги пространственного положения сменных контактных колец, закрепленных на нагрузочных пружинных механизмах, причем контактные кольца и ограничительные штанги также электрически соединены через многоканальный АЦП с входом внешнего асинхронного порта блока обработки и визуализации данных.

В программную часть комплекса дополнительно введены программы непрерывной визуализации на экране монитора пространственного положения пружинных нагрузочных механизмов относительного ограничительных штанг и перемещения в реальном масштабе времени обоих световых индикаторов положения нагрузочных платформ относительно друг друга при сознательно контролируемом активном физическом воздействии на подвижные и опорные штанги по жестким, последовательно задаваемым алгоритмам с возможностью выбора режима индивидуально максимально быстрого и сильного наращивания усилий до предельных значений и последующего максимально быстрого уменьшения усилий сжатия нагрузочных платформ до полного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием рукояток подвижной и опорной штанг, а также режима индивидуально максимально быстрого изменения обеими руками одновременно усилий сжатия нагрузочных платформ при входе в зоны стабильного удержания и последующего непрерывного волевого удержания стабильного положения нагрузочных платформ до произвольного отказа с варьирующими дозированными мышечными усилиями, равными, например

75, 50 и 35% от максимального усилия, развиваемого каждой рукой в отдельности, с произвольно задаваемой точностью допустимых отклонений от положения идеального удержания в диапазоне 1-20%, визуально идентифицируемой на экране монитора по ширине графически отображаемых полос, ограничивающих допустимую величину отклонения от изолинии светового индикатора смещения нагрузочных платформ в условиях наличия различных релевантных помех, создаваемых, например, подачей внезапных световых и звуковых сигналов при исследовании помехоустойчивости, внезапным отключением программы визуализации на экране монитора отображения светового индикатора положения нагрузочных платформ - при исследовании проприоцептивной памяти, инвертирования сторон зрительного восприятия световых индикаторов положения нагрузочных платформ на экране монитора и положения рук на наконечниках штанг нагрузочных механизмов - при исследовании эффективности межполушарных сенсомоторных взаимодействий, или при их отсутствии, а также программу математико-статистической обработки частотных, амплитудных, временных и скоростных параметров кривых смещения от изолинии световых индикаторов положения обеих пар нагрузочных платформ в реальном масштабе времени и показателей функций систем вегетативного обеспечения с возможностью составления индивидуального интегрального психофизиологического профиля человека, включающего оценку уровня работоспособности (предметно-деятельного потенциала) по качеству, уровню и длительности удержания заданного положения нагрузочных платформ, уровня физиологического потенциала - по времени моторного программирования целевой установки на начало выполнения теста, уровню и длительности отклонения физиологических показателей от базовых значений, состоянию сенсорно-моторных и межполушарных взаимодействий и уровня личностного потенциала - по стратегии входа в зону удержания и распределения усилий между зонами непрерывного волевого удержания стабильного положения нагрузочных

платформ с мышечными усилиями, равными, например, 75, 50 и 35% от максимального усилия, а также по приоритетам выбора критериев отказа от волевого удержания заданного положения нагрузочных платформ.

Тестирование путем выполнения с максимальными усилиями мышечных сокращений, при которых изменяются длина и напряжение мышцы (ауксотоническое сокращение) предполагает функционирование ДЕ в режиме гладкого тетанического сокращения, когда каждый очередной нервный импульс приходит к мышечному волокну в фазу подъема напряжения, чем создаются условия для прикрепления большего числа поперечных мостиков к тонким актиновым волокнам. Однако интенсивность мышечных сокращений определяется не только количеством поперечных мостиков, прикрепленных к тонким актиновым волокнам, а и способностью ДЕ к преобразованию высокочастотного импульсного возбуждения с минимальной временной задержкой и скоростью циклического соединения-рассоединения перекрестных мостиков к актину. Такой режим возможен при достаточной мощности центральных сигналов, поступающих из супраспинальных центров и обеспечивающих рекрутрование максимального количества ДЕ, оптимизацию частоты потенциалов действия каждой ДЕ и синхронизацию структуры потенциалов действия между ДЕ, что в целом и позволяет достигать максимальной интенсивности мышечного сокращения. Таким образом, для развития максимальных произвольных мышечных усилий важно не только максимальное количество взаимодействий активных центров миозина-актина, но и интенсивность, с которой эти взаимодействия осуществляются.

При этом следует учитывать, что режим гладкого тетануса мышц в быстрых и медленных ДЕ развивается при разной частоте импульсации, так как они существенно различаются между собой по длительности одиночного сокращения. Так, например, длительность фазы увеличения напряжения глазодвигательных мышц колеблется в диапазоне 7-10 мс, а камбаловидной мышцы - 60-100

мс, поэтому и гладкое тетаническое сокращение их наступает на разной частоте импульсации - 350 и 30 имп/с соответственно.

Фазы сокращения различных мышц исключительно индивидуальны по развиваемым усилиям и продолжительности, что определяется выполняемыми ими функциональными задачами. Обычно фаза расслабления (удлинения) мышц превосходит фазу напряжения примерно в два раза, при этом длительности фаз напряжения и расслабления находятся в прямо пропорциональной зависимости друг от друга. Однако структура временных параметров мышечных движений не является постоянной. Физическая тренировка, разминка, способствуют сокращению фазы напряжения, а перетренировка, утомление, наоборот, удлиняют ее, причем в этом случае фаза расслабления увеличивается, как правило, более существенно.

Все эти данные свидетельствуют о том, что тестирование силой, развиваемой мышцей во время произвольного максимального ауксотонического сокращения, позволяет провести интегральную оценку двигательной функции, включающую оценку функционального состояния супраспинальных и спинальных центров, а также нервно-мышечного аппарата.

В тоже время, поскольку сила максимального произвольного сокращения существенно зависит от исходной длины мышцы, то крайне важно обеспечивать стабильное и индивидуально регулируемое положение ручек нагрузочного механизма относительно друг друга, при котором длина мышцы будет близкой к максимальному растяжению. Между тем, известно, что максимальное напряжение развивается мышцами, длина которых составляет примерно 120% от равновесной длины; большее и меньшее растяжение мышц способствует снижению развиваемых усилий. Именно поэтому конструктивно предусмотрена возможность индивидуального выбора места крепления нагрузочных платформ на подвижной и опорной штангах,

что позволяет варьировать расстоянием между ручками нагрузочного пружинного механизма для обеспечения различных условий тестирования.

Использование сменных ручек для модификации нагрузочного пружинного механизма под тестирование конкретных групп мышц расширяет области применения и унифицирует методики исследования.

Дополнительное применение в аппаратной части комплекса помимо силоизмерительного датчика нового измерительного устройства для определения расстояния между нагрузочными платформами, выполненного в виде пары постоянного магнита и датчика Холла, обеспечило возможность согласованного определения в реальном масштабе времени силы и скорости ауксотнического сокращения, повышение точности измерений и упрощение конструкции. Такая функция практически не реализована ни в одном из известных устройств.

В тоже время включение в программное обеспечение аппаратного комплекса жестких алгоритмов тестирования позволило унифицировать и стандартизировать процедуру тестирования, что позволило получать сопоставимые результаты при проведении исследований в различных условиях с участием различных по профессиональной специализации и состоянию здоровья испытуемых.

Так, например, алгоритм эргодинамометрического тестирования предполагает развитие максимальных усилий сокращения различными группами мышц при сжатии пружин, а также максимально длительного удержания их в сжатом состоянии с последующим осуществлением контролируемого ослабления сжатых пружин без потери физического контакта испытуемого с наконечниками подвижной и опорной штанг. Усилие прилагается к наконечникам подвижных штаг, выбор которых зависит от вида тестируемых групп мышц.

Протокол анализа результатов такого эргодинамометрического тестирования

включает определение прямых и расчетных показателей на основе верификации типовых опознавательных точек на циклограмме одиночного мышечного движения в фазу сокращения и расслабления, схематично представленной на рис.1, и соотнесения их по времени, развиваемым усилиям и пройденному расстоянию с определенными фазами мышечного движения, что достигается машинным анализом зависимости «сила-время».

При машинной обработке результатов измерений производился раздельный анализ данных применительно к определенным фазам тестирования одиночного мышечного движения, который условно разбивался на четыре блока.

I блок - Анализ фазы подготовки к исследованию

1. Латентный период реакции, определяемый по времени от момента подачи сигнала на начало тестирования до начала мышечного сокращения,

Т_лат. , с.

II блок - Анализ фазы мышечного сокращения

1. Максимальная (пиковая) сила, определяемая путем машинного анализа результатов дискретного измерения мгновенной силы за небольшие, постоянно заданные интервалы для выявления среди них максимального значения, F_max, кг.

2. Абсолютная сила при уровне, равном 50% от максимальной силы, определяемая путем машинного анализа результатов дискретного измерения мгновенной силы за небольшие, постоянно заданные интервалы для выявления среди них значения, равного 50% от максимального, Fc _0-50, кг.

3. Время достижения максимальной силы сокращения, Тс_max, с.

4. Время достижения силы, равной 50% от максимальной силы сокращения, определяемое путем машинного анализа зависимости «сила-время», Тс _0-50, с.

5. Длительность сокращения на отрезке, ограничиваемом диапазоном фазовых сил мышечного сокращения, равных 50 и 100% от максимальной силы, определяемая путем машинного анализа зависимости «сила-время», Тс_50-100, с.

6. Средняя скорость развития силы сокращения, определяемая расчетным способом по формуле

Vc_med=F _max/T_max, кг/с.

7. Средняя скорость развития силы на отрезке, ограничиваемом диапазоном фазовых сил мышечного сокращения, равным 0-50% от максимальной силы, определяемая расчетным способом по формуле

Vc _med=Fс_0-50/Tс_0-50 , кг/с.

8. Средняя скорость развития силы на отрезке, ограничиваемом диапазоном фазовых сил мышечного сокращения, равным 50-100% от максимальной силы, определяемая расчетным способом по формуле

Vc_med=Fс_50-100 /Tс_50-100, кг/с.

9. Максимальная скорость развития силы сокращения, определяемая поиском максимального значения из числа фактических значений абсолютной скорости развитая силы в фазу сокращения, Vc_max, кг/с.

10. Минимальная скорость развития силы сокращения, определяемая поиском минимального значения из числа фактических значений абсолютной скорости развития силы в фазу сокращения, Vc_min , кг/с.

11. Коэффициент плавности движения в фазу сокращения (КПЛс), рассчитываемый по формуле

KПЛс=(Vc _max-Vc_min)/Vc_med , усл.ед.

III блок - Анализ фазы контролируемого мышечного расслабления

1. Длительность расслабления, определяемая по моменту возвращения нагрузочной платформы в исходное положение после достижения максимальной силы, Тр, с.

2. Время достижения фазовой силы расслабления, равной 50% от максимальной силы сокращения, определяемое поиском заданного значения силы из числа фактических значений абсолютной скорости развития силы машинным анализом зависимости «сила-время», Тр_100-50, с.

3. Время достижения полного расслабления от уровня фазовой силы, равной 50% от максимальной силы сокращения, определяемое поиском заданного значения силы из числа фактических значений абсолютной скорости развития силы машинным анализом зависимости «сила-время», Тр_50-0, с.

4. Средняя скорость развития мышечного расслабления, определяемая расчетом по формуле

Vp_med=F _max/Tp, кг/с.

5. Средняя скорость развития мышечного расслабления на отрезке, ограничиваемом диапазоном фазовых сил мышечного сокращения, равным 100-50% от максимальной силы, определяемая расчетным способом по формуле

Vp_med100-50 =Fp_100-50/Tp_100-50 , кг/с.

6. Средняя скорость развития мышечного расслабления на отрезке, ограничиваемом диапазоном фазовых сил мышечного сокращения, равным 50-0% от максимальной силы, определяемая расчетным способом по формуле

Vp_med50-0=Fс _50-0/Tс_50-0, кг/с.

7. Максимальная скорость развития расслабления, определяемая поиском максимального значения из числа фактических значений абсолютной скорости снижения силы в фазу мышечного расслабления, Vp_max , кг/с.

8. Минимальная скорость развития расслабления, определяемая поиском минимального значения из числа фактических значений абсолютной скорости развития расслабления в фазу мышечного расслабления, Vp_min, кг/с.

9. Коэффициент плавности движения в фазу контролируемого расслабления (КПЛр), рассчитываемый по формуле

KПЛp=(Vp_max -Vp_min)/Vp_med, усл.ед.

IV блок - Обобщающий анализ

1. Общая длительность одиночного мышечного движения, определяемая временем от момента начала мышечного сокращения до момента полного расслабления, Т _сум, с.

2. Коэффициент мобилизационной готовности, определяемый расчетным способом по формуле

КМГ=Тс/Тсум

3. Коэффициент релаксационной готовности, определяемый расчетным способом по формуле

КРГ=Тр/Тсум

4. Максимальная мощность сжатия нагрузочных платформ (Р_max), определяемая расчетным способом по формуле

P_max =F_maxS_imax/T_imax , Вт.

5. Общая работа, выполненная во время сжатия нагрузочных платформ (Wc_med), определяемая расчетным способом по формуле

Wc_med=Fc _medTc, Дж.

6. Общая работа, выполненная во время контролируемого расслабления предварительно сжатых нагрузочных платформ (Wp _med), определяемая расчетным способом по формуле

Wp_med=F_medTp, Дж.

Алгоритм комплексного эргодинамометрического и психофизиологического тестирования в экспресс-режиме основывается на машинном анализе одномоментно регистрируемых единичных показателей реакции организма на сложно-координированную циклическую изометрическую тест-нагрузку, выполняемую стереотипно обеими руками одновременно под контролем зрительного анализатора. При этом стабильное пространственное положение тестируемых костно-суставных образований обеспечивается за счет удержания жестко закрепленных на нагрузочных механизмах колец в положении, исключающем его контакт с помещенными в них ограничительными штангами, симметрично закрепленных на общем основании комплекса или жестким закреплением нагрузочных пружинных платформ на общем основании комплекса.

Сами по себе сложно-координированные двигательные реакции человека невозможно оценить непосредственно, но они могут быть измерены через ряд других показателей, которые, будучи взаимосвязаны, каждый по-своему влияют на двигательную способность. Именно поэтому для этих целей использован тест, основанный на многофакторном моделировании универсальных двигательных элементов профессиональной деятельности, безотносительно к конкретной специализации человека, позволяющий оценить силу, точность, быстроту, координацию движений, двигательную выносливость и умение распределять внимание.

Один из возможных вариантов результатов тестирования, отражающих

динамику усилий сжатия кистевых динамометров, представлен на рис.2.

Программное обеспечение теста позволяет автоматически выставлять зоны удержания сигнального объекта с произвольно задаваемой точностью, а также осуществлять по жесткому алгоритму автоматический анализ параметров выполнения теста и показателей его вегетативного обеспечения.

Учитывая большую сложность исполнительского действия, совершаемого во время тестирования, его анализ может быть осуществлен только на междисциплинарном уровне, включающем микродинамический, микроструктурный и психофизиологический анализ. Такой анализ позволяет получить исчерпывающие сведения о функционировании мозга на системном уровне.

Первичные данные, необходимые для анализа качества и объема выполненного задания, получают из анализа кривой траектории произвольного перемещения испытуемым управляемого объекта - сигнальной линии с учетом заданных уровней нагрузок и диапазона допустимых отклонений.

Микроструктурный анализ основывается на выделении, анализе, качественной и количественной оценке компонентов движения, сохраняющих свойство целого, т.е. имеющих свою подпрограмму - понятия действия, операции, стадии процесса, волны, кванты действия (Гордеева Н.Д., 1995). Информация о реализации конкретной подпрограммы важна не только для конкретизации программы реакций на следующие волны, но и, если это необходимо, на перестройку общего плана действий, например, для принятия решения о переходе на более легкий режим выполнения изометрических нагрузок. Вместе с тем в структуре каждой отдельной волны выделяют кванты действия, которые характеризуют операционный аспект действия, направленный на обнаружение, уточнение и исправление допущенных ошибок при решении единой смысловой задачи - максимально долгого и безошибочного удержания сигнального объекта в границах зоны цели путем строго дозированного кистевого жима.

Таким образом, волна действия при выполнении данного теста отражает решение определенной смысловой задачи, а именно устранение ошибки, выражающейся выходом сигнального объекта за пределы диапазона границ зоны цели, а квант действия отражает способ решения задачи на операционном уровне - удержание сигнального объекта вблизи изолинии, выступающей в качестве идеальной траектории перемещения сигнального объекта в границах зоны цели. Количество квантов может меняться. Оно может ограничиваться одним квантом, если одно баллистическое действие обеспечивает реализацию волны на операционном уровне, или б'ольшим числом их. Индивидуальный выбор стратегии выполнения теста обусловливает эффективность его выполнения.

Оценка эффективности деятельности по слежению за сигнальным объектом и удержанию его в границах зоны цели производится по показателям, характеризующим качество, точность и успешность выполнения теста, для чего весь процесс условно делится на три цикла, каждый из которых включает

однотипные этапы.

Протокол анализа результатов комплексного эргодинамометрического и психофизиологического тестирования включает автоматическое определение прямых и расчетных показателей на основе верификации типовых опознавательных точек на циклограмме многократной циклической изометрической нагрузки, схематично представленной на рис.3 и соотнесения их по времени, развиваемым усилиям и пройденному расстоянию с определенными фазами мышечного движения.

Исходя из принятого деления процедуры тестирования на отдельные фазы, при анализе результатов различают:

- фазу эвристического построения моторной программы выполнения I цикла работы и всего теста в целом;

- фазу ввода сигнального объекта в границы зоны цели и стабилизации его положения в границах зоны цели I цикла работы;

- фазу устойчивого удержания сигнального объекта в диапазоне границ зоны цели;

- фазу перевода сигнального объекта в границы зоны цели II цикла работы с меньшим энергетическим уровнем вегетативного обеспечения и стабилизации положения объекта в границах зоны цели II цикла работы;

- фазу устойчивого удержания сигнального объекта в диапазоне границ зоны цели;

- фазу перевода сигнального объекта в границы зоны цели III цикла работы с меньшим энергетическим уровнем вегетативного обеспечения и стабилизации положения объекта в границах зоны цели III цикла работы;

- фазу устойчивого удержания сигнального объекта в диапазоне границ зоны цели;

- фазу произвольного отказа от выполнения теста в целом, обусловленного развитием некомпенсируемого утомления.

С учетом приведенного выше разделения теста на отдельные фазы, в ходе которых решались только им свойственные конкретные задачи, и возможного влияния нейрофизиологических характеристик индивидуума на эффективность выполнения теста в целом и отдельных его элементов можно получить данные составления индивидуального психофизиологического профиля человека на трехпараметрическом уровне применительно к определенному временному срезу.

При этом дается также частная оценка отдельных компонентов психофизиологического состояния, включая:

1. Скорость моторного программирования сложно-координированных действий;

2. Уровень работоспособности, оцениваемый по качеству и объему выполненной работы суммарно и обеими руками раздельно.

Для оценки эффективности ввода сигнального объекта в зону цели и стабилизации его положения в зоне границ цели используются следующие

единичные и расчетных показатели:

2.1. Время подведения сигнального объекта к нижней границе зоны цели (Тп), с;

2.2. Максимальная скорость движения сигнального объекта (V_max ), см/с;

2.3. Минимальная скорость движения сигнального объекта (V_min), см/с;

2.4. Средняя скорость движения сигнального объекта (V_med ), см/с;

2.5. Время разгона сигнального объекта до максимальной скорости(Тр), с;

2.6. Время удержания максимальной скорости сигнального объекта (Тум), с;

2.7. Время торможения сигнального объекта до момента, когда скорость первый раз проходит через «0» (Тт), с;

2.8. Первая ошибка ввода сигнального объекта в границы зоны цели (Ао), мм;

2.9. Общее время выполнения управляющих движений, ликвидирующих ошибки ввода и стабилизации сигнального объекта в границах зоны цели (Тсуд), с;

2.10. Количество отдельных ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (Nог), мм

2.11. Амплитуда отдельных ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (А _iог, мм

3.12. Максимальная амплитуда ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (А_maxог), мм;

2.13. Время реагирования на отдельные ошибочные управляющие движения, сопровождающиеся выходом сигнального объекта за границы зоны

цели (T _iрог), с;

2.14. Продолжительность отдельных ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (Т_iог), с;

2.15. Общая продолжительность фазы ввода и стабилизации сигнального объекта в границах зоны цели (Тфв), рассчитываемая по формуле

Тфв=Тп+Тсуд, с;

2.16 Частотная плотность ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (N_vог), рассчитываемая по формуле

N_vог=Nог/Тсуд, дв./с;

2.17. Средняя амплитуда ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (A_med ог), рассчитываемая по формуле

A_med ог=_i=1^NA _iог/Nог, мм;

2.18. Средняя продолжительность отдельных ошибочных управляющих движений, сопровождающихся выходом сигнального объекта за границы зоны цели (T_med), рассчитываемая по формуле

T_med=_i=1^NT _iог/Nог, с;

2.19. Показатель субъективной оценки индивидуальной сложности задания (ПИСС), рассчитываемый по формуле

ПИСС=(Тмп+Тп/(Тмп+Тп+Тсуд), ус.ед.,

2.20. Коэффициент плавности движения (Кпл), рассчитываемый по формуле

Kпл=(V _max-V_min)/V_med , усл.ед.

2.21. Коэффициент точности выполнения управляющих движений для стабилизации сигнального объекта в границах зоны цели (КТфв), рассчитываемый по формуле

КТсуд=(А _iид.×Тскд)/_i=1^N(А _iог×Т_iог), ус.ед.,

где А_iид. - соответствует изолинии и условно принята равной 1 мм;

2.22. Коэффициент реагирования на ошибочный выход сигнального объекта за границы цели (КРог), рассчитываемый по формуле

KРог=(_i=1^NT _iрог/T_iог)Nог, ус.ед.

2.23. Показатель продуктивности выполнения двигательных операций - энергетические затраты ввода и стабилизации сигнального объекта в границах зоны цели (Wфв), рассчитываемый по формулам:

A) режим 1 цикла работы

W₁фв=[(0,75F _пpмax×T_пpп₁ )/2+(0,75F_лмax.×T_л п₁)2+0,75F_пpмax×T _пpсуд₁+0,75F_л мах×Т_лсуд₁]/2, кг с;

Б) режим 11 цикла работы

W₂ фв=[Т_прп₂×(0,75F _пpмax+0,5F_пpмах)/2+Т _лп₂×(0,75F_л мax.+0,5F_лмах)2+0,5F_пp мax×T_пpсуд₂+0,5F _лмах×Т_лсуд₂ ]/2, кг с;

B) режим 111 цикла работы

W ₃фв=[Т_прп₃×(0,5F _пpмax×0,25F_пpмах)/2+Т _лп₃×(0,5F_л мax.+0,25F_лмах)2+0,25F_пp мax×T_пpсуд₃+0,25F _лмах×Т_лсуд₃ ]/2, кг с;

2.24. Показатель надежности выполнения двигательных операций в фазу ввода и стабилизации сигнального объекта в границах зоны цели (ПНфв), рассчитываемый по формулам:

Б) режим 1 цикла работы

ПН₁фв=[(0,75F _прмах×Т_прп₁ ])/2+(0,75F_лмах.×Т _лп₁)2+КТ_прсуд ₁×0,75F_прмах××Т _прсуд₁++КТ_л суд₁×0,75F_лмах×Т _лсуд₁)]/2, кг с.

Б) режим 11 цикла работы

ПН₂фв={[0,75F _прмах+0,5F_прмах)/2]×Т _прп₂+(0,75F_л мах.+0,5F_лмах)/2]×Т _лп₂++КТ_прсуд ₂×0,5F_прмах×Т _прсуд₂+КТ_лсуд ₂×0,5F_лмах×Т _лсуд₂)]/2, кг с.

В) режим 111 цикла работы

ПН₃фв={[0,5F _прмах+0,25F_прмах)/2]×Т _прп₃+(0,5F_л мах.+0,25F_лмах)/2]×Т _лп₃++КТ_прсуд ₃×0,25F_прмах×Тсуд ₃+КТ_лсуд₃×0,25F _лмах×Т_лсуд₃ )]/2, кг с.

3. Величину личностного потенциала, оцениваемого по характеру поведенческих реакций и выбранному стилю выполнения теста. Для этого в качестве информационно значимых показателей используются:

3.1. Тип ввода сигнального объекта в границы зоны цели (определяется по качественному признаку - форме линии, отражающей перемещение светового индикатора на экране дисплея в процессе тестирования): а) с перерегулировкой; б) точный; в) с недорегулировкой.

3.2. Удельный вес продолжительности фаз удержания манипулятора в каждой из трех зон удержания (УВ) с учетом соотношения фактических значений усилий удержания:

УВ₁=3Т₁/(3Т ₁+2Т₂+Т₃),

УВ₂=2Т₂/(3Т ₁+2Т₂+Т₃);

УВ₃=Т₃(3Т ₁+2Т₂+Т₃)

3.3 Характеристика стиля деятельности определяется по величине соотношений интервалов времени выполнения статических нагрузок на каждом из трех уровней:

а) волевой - максимальное время удержания регистрируется на первом уровне нагрузки (показатель УВ₁ макс);

б) сбалансированный - время удержания равномерно распределяется на всех уровнях нагрузки (УВ₁=УВ₂=УВ ₃);

в) трудно прогнозируемый - не обеспечивается точное воспроизведение соотношений интервалов времени выполнения статических нагрузок на каждом из трех уровней при повторном тестировании.

3.4. Критерии субъективного выбора приоритетов при определении показаний для прекращения выполнения теста:

а) энергетический (по максимальному объему выполненной работы), когда переход на более легкий режим тестирования регламентируется не допущенными ошибками, связанными с точностью статического удержания сигнального объекта в заданных границах, а стремлением максимально длительно

удерживать манипулятор в сжатом состоянии;

б) точностный (по точности удержания индикатора в зоне цели), когда переход на более легкий режим тестирования осуществляется при невозможности удержания сигнального объекта в заданных границах с необходимой точностью. Как правило, испытуемые ограничивают себя появлением не более 1-2 ошибок, проявляющихся выходом сигнального объекта за границы заданной зоны;

4. Величину физиологического потенциала, оцениваемого по уровню напряжения систем вегетативного обеспечения, выраженности функциональной асимметрии и эффективности межполушарного взаимодействия в моторной, зрительной, слуховой и проприорецептивной сферах.

Если испытуемый испытывает трудности с освоением алгоритма выполнения теста, а в последующем - с воспроизведением исходной стратегии выполнения теста по долевому распределению времени выполнения изометрических нагрузок с различными усилиями, которое интегрально оценивается через структурный коэффициент, можно однозначно утверждать о низкой прогностической способности человека оценивать обстановочную ситуацию, а также о слабо выраженной сенсорно-моторной взаимосвязи, что делает проблематичным достижение высших профессиональных результатов, особенно в тех специальностях, которые требуют быстрого освоения и выполнения сложно-координированных движений, умения распределять внимание и быстро реагировать на информационно-значимые сигналы.

Чем более совершенны сенсорно-моторными взаимосвязями, составляющие основу конкретной профессиональной деятельности, тем более талантлив человек в данной профессии, независимо от ее специфики. В связи с этим результаты данного тестирования имеют универсальный характер.

Если при повторном тестировании, в том числе после воздействия стресс-фактора, отклонения величины структурного коэффициента не превышают

10% относительно результатов фонового тестирования, испытуемого относят к категории стресс-устойчивых; при отклонении величины структурного коэффициента относительно фонового результата не более чем на 20% - к среднеустойчивым, а при отклонении величины структурного коэффициента от фонового результата более чем на 20% - к низкоустойчивым.

Точность воспроизведения результатов тестирования в значительной степени определяется функцией моторной зоны КГМ, использующей для выработки команд на управление движениями информацию, поступающую как по сенсорным путям от других отделов коры, так и от генерируемых в ЦНС моторных программ, которые актуализируются базальными ганглиями и мозжечком и доходят до моторной коры через гипоталамус и префронтальную кору. При этом нейроны передних отделов коры мозга принимают непосредственное участие в построении сложного двигательного акта, отвечающего требованиям пространственно-временных характеристик среды. С этой целью префронтальная кора извлекает информацию из долговременной памяти, а гиппокамп осуществляет консолидацию новых ассоциаций, которые так нужны для корректировки поведения с учетом недавно произошедших событий. Лобным отделам коры больших полушарий (префронтальной коре) принадлежит ведущая роль в построении новых моторных программ с использованием всего видового и накопленного в течение жизни индивидуального опыта, который извлекается из хранящихся в памяти программ для их последующей интеграции в новую моторную программу, а также в корректировке внутренней модели в соответствие с оперативно поступающей сенсорной информацией., в том числе от проприорецепторов, возбуждающихся при совершении движения. С функцией префронтальной зоны связывают способность мысленно проектировать будущую траекторию движущейся цели, основанную на экстраполяции.

Именно поэтому лица с недостаточно развитыми функциями префронтальной

коры и слабыми межполушарными взаимодействиями, как правило, вообще не способны выполнить данный тест. Такие индивиды испытывают еще большие затруднения при этом тестировании, если дополнительно предъявляются повышенные требования к механизмам межполушарных взаимодействий, например путем инвертирования сторон предметных действий, осуществляемых правой и левой руками, и отображения на экране результатов их выполнения.

У праворуких людей механизмы центрального управления движениями рук неоднозначны. Моторика правой (ведущей) руки осуществляется в большей степени по центральным командам, менее зависимым от обратной афферентной импульсации; она больше подчинена процессам сознательного управления, включая и те, которые актуализируются самыми высшими отделами коры больших полушарий (в первую очередь, переднелобными областями). Двигательные навыки правой руки формируются быстрее и легче автоматизируются.

Управление левой рукой у правшей в большей мере связано с более древним филогенетически и ранее выявляемым в онтогенезе механизмом кольцевого рефлекторного регулирования. В обычных условиях целенаправленной деятельности неведущая левая рука существенно отстает от ведущей правой по своим координационным возможностям. Однако в экстремальных ситуациях, при выполнении многоцелевых программ деятельности, когда создаются повышенные трудности для программного управления действиями правой руки, эффективность левой руки оказывается более высокой. Мышцы неведущей левой руки (по сравнению с ведущей рукой) содержат большее количество быстрых мышечных волокон, которые характеризуются лучшими взрывными сократительными свойствами, но меньшей выносливостью, и потому они в большей степени подвержены утомлению.

Однако перекрестные влияния на моторику у человека не являются единственно возможными. Наряду с доминированием левого полушария у правшей и правого - у левшей, оба полушария могут одновременно участвовать в регуляции движений или попеременно доминировать в управлении движениями.

Кроме того, этот тест позволяет оценивать способность человека вносить сенсорные коррекции при формировании импульсов рассогласования, возникающих при расхождении между фактическим и требуемым действием, что позволяет сохранять первоначальную моторную программу действий, несмотря на изменения, возникающие при ее осуществлении. Индивидуальный психофизиологический профиль реагирования при выполнении данного теста отличается такой же высокой стабильностью как, например, индивидуальный характер походки человека, мало зависящий от внешних и внутренних факторов. Все это делает весьма перспективным его применение не только для оценки текущего состояния, но и в дальнейшем при достаточном наборе данных и для профессионального отбора.

При необходимости дополнительного анализа проводится более детальная оценка результатов психофизиологического обследования на всех стадиях тестирования. При этом необходимо исходить из следующих предпосылок. Человек может вносить коррекции лишь в случае совершения движений достаточной длительности для того, чтобы нервные центры успели воспринять информацию, отреагировать на нее и отправить исправленные команды к мышцам. Если же длительность основной фазы движения крайне мала (такие движения оцениваются как баллистические движения), то внесение коррекций в процессе их выполнения невозможно. Аналогами этим движениям, например, в практике спортивной деятельности являются прыжки, удары по мячу, боксирование, фехтование и т.п. В связи с этим для обеспечения достаточной точности их выполнения спортсмен должен обладать способностью упреждающего формирования программы баллистических

движений в условиях дефицита времени с высокой точностью, что опять-таки, связано с функцией лобных долей и определяется по точности удержания индикатора положения нагрузочных платформ вблизи изолинии. Поскольку корректировка программ моторных действий в лобных долях больших полушарий головного мозга происходит не только в связи с поступлением информации от аппарата сравнения, но и в ответ на поступающие извне словесные сигналы, а также благодаря участию мышления самого человека, то с помощью этого теста можно прогнозировать способность человека корректировать свое действия в процессе профессиональной деятельности, например в процессе соревнований, в том числе благодаря адекватной реакции на тренерские указания.

Вместе с тем, поскольку выполнение теста непродолжительно по времени, а результативность его мало зависит от совершенствования навыков, то он может быть использован многократно без потери информационной значимости полученных результатов для решения различных задач по дифференциальной диагностике психофизиологических состояний как в ходе лечения, производственной деятельности, во время тренировочного процесса для оценки общего уровня текущей работоспособности и диагностики утомления, так и для оценки готовности спортсмена к соревновательным выступлениям.

Приведенная информация подтверждает прогрессивность конструктивного исполнения аппаратной части комплекса и программного обеспечение регистрации и обработки результатов тестирования, позволяющего составлять индивидуальный психофизиологический профиль с учетом характеристик личностного, физиологического и предметно-деятельного потенциалов человека. Одновременно в процессе тестирования исследуются психосенсорная, психомоторная, психоэмоциональная устойчивость, эффективность межполушарного взаимодействия и уровень вегетативного обеспечения организма в период выполнения тест-нагрузки.

Вместе с тем практическое применение аппаратно-программного комплекса позволяет решить и другие, крайне актуальные проблемы методического плана:

- повышения воспроизводимости результатов исследования, так как все оцениваемые показатели регистрируются одномоментно, в один и тот же временной срез и, следовательно, отражают функциональное состояние человека в заданный отрезок времени в конкретных условиях окружающей среды и при определенном виде деятельности, а используемые критерии для определения начала и окончания тестирования стабильно воспроизводятся и точно учитываются. Кроме того, обеспечение стабильного пространственного положения рук во время тестирования, достигаемое за счет удержания кольца, жестко закрепленного на нагрузочных пружинных механизмах, в положении, исключающем его контакт с ограничительными штангами, способствует стандартизации условий исследования и сведения к минимуму разброса данных при проведении ретестов;

- повышения точности результатов исследования за счет стандартизации процедуры исследования и алгоритма обработки результатов исследований, а также выбора адекватных показателей для всесторонней комплексной оценки функционального состояния организма человека;

- повышения производительности исследования, так как все оцениваемые показатели регистрируются при выполнении кратковременного по времени теста и быстро автоматически анализируются;

- повышения объективности результатов обследования, так как определение психофизиологических показателей проводится не бланковым, а аппаратным способом, при котором практически отсутствует эффект осознанного или неосознанного неконтролируемого экспериментатором несанкционированного влияния испытуемого на конечные результаты тестирования, а определение эргодинамометрических показателей осуществляется в реальном режиме движений костно-суставных образований в конкретном

суставе за счет применения съемных наконечников нужного типа применительно к выбранной процедуре тестирования;

- повышения доступности процедур исследования благодаря использованию относительно простых и жестких алгоритмов выполнения теста, причем сами действия не требуют длительного обучения и тренировки, а также автоматизации обработки результатов исследования с выдачей количественных параметров регистрируемых показателей, что сводит к минимуму требования, предъявляемые к квалификации операторов.

Таким образом, благодаря достигаемым с помощью предлагаемого аппаратно-программного комплекса положительным эффектам, заявляемым в цели разработки патента на полезную модель и наличию возможности для их технической реализации, комплекс соответствует критериям «новизна» и "неочевидность". В тоже время наличие возможностей для проведения комплексных эргодинамометрических и психофизиологических исследований с помощью предлагаемого аппаратно-программного комплекса, а также простота организации эксплуатации и безопасность применения способствует расширению областей его использования, в частности для решения научно-практических и прикладных задач применительно к физиологии труда и спорта, а также адаптивной, спортивной, профессиональной и клинической медицине, что свидетельствует о соответствии его критерию "производственная необходимость".

Сущность заявленного аппаратно-программного комплекса поясняется чертежами (фиг.1-5), на которых представлены:

фиг.1 - Структурная блок-схема аппаратно-программного комплекса для эргодинамометрических и психофизиологических исследований;

фиг.2 - Общий вид нагрузочного пружинного механизма аппаратно-программного комплекса при тестировании кистевым жимом с максимальным усилием;

фиг.3 - Блок-схема аппаратно-программного комплекса в рабочем положении

с вариантами установки плоского упора на подвижную штангу при тестировании опорным жимом с максимальным усилием;

фиг.4 - Блок-схема аппаратно-программного комплекса в рабочем положении с вариантом установки гибких тяг на подвижную штангу при тестировании максимальными усилиями, развиваемыми мышцами различных костно-суставных образований.

Аппаратная часть комплекса (фиг.1-4) содержит два однотипных, механически объединенных в единую конструкцию нагрузочных пружинных механизма 1 фиг.2, выполненных в виде шарнирно соединенных с одного конца 2 строго ориентированных относительно друг друга подвижной 3 и опорной 4 штанг, на которых жестко закреплены винтовыми зажимами друг против друга поперечно расположенные с возможностью произвольного изменения местоположения нагрузочные платформы 5 и 6, снабженные симметрично расположенными посадочными местами 7 для пружин 8 - не менее двух с каждой стороны. При этом основание 9 нагрузочной платформы 5 закреплено на подвижной штанге 3 через упругий элемент 10, содержащий силоизмерительный датчик - тензорезистор 11. Набор пружин 8 укомплектован образцами с различным сопротивлением сжатию, например 2,0, 1,0 и 0,5 мм/кг и однотипными размерам по торцам. В местах жесткого крепления нагрузочных платформ 5 и 6 к подвижной 3 и опорной 4 штангам каждого нагрузочного пружинного механизма 1 жестко закреплены друг против друга постоянный магнит 12 и датчик Холла 13.

Нагрузочные пружинные механизмы 1 укомплектованы сменными наконечниками - пальцевыми 14 фиг.2 и ладонными 15 фиг.2 рукоятками, плоским упором 16 фиг.3 и гибкими тягами 17 фиг.4. Гибкие тяги 17 в свою очередь снабжены подвижными упорами 18 зажима 19 тяг 17, выполненными с возможностью закрепления их в различных положениях горизонтальной и вертикальной плоскостей.

Конструктивно также предусмотрена возможность выбора расположения

нагрузочных пружинных механизмов 1 при различных видах тестировании в двух положениях:

А) либо в пространственно свободном состоянии с возможностью ограничения перемещений во время тестирования в пределах величины диаметра сменных контактных колец 20 различного диаметра, например 10, 20 или 50 мм, жестко закрепленных на нагрузочных пружинных механизмах 1 с помощью дополнительных зажимов 21 и надетых на ограничительные штанги 22, симметрично закрепленные на общем основании 23 комплекса (фиг.1 и 2);

Б) либо в положении с жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги 4 нагрузочных пружинных механизмов 1 к общему основанию 23 комплекса (фиг.3 и 4).

Датчики функций систем вегетативного обеспечения - электроды для регистрации электрокардиограммы 24 и миограммы 25, закрепляемые на теле человека 27, электрически соединены с входами 28-А электрокардиографического усилителя 29-А и входами 28-Б миографического усилителя 29-Б, а электроды для регистрации кожно-гальванической реакции 26, закрепляемые на теле человека 27, датчики Холла 13, жестко закрепленные на опорной штанге 4 нагрузочной платформы 1, а также контактные кольца 20 и ограничительные штанги 22 электрически соединены с входами 28-В усилителя постоянного тока 29-В, совмещенного с блоком питания (на схеме не показано), а выходы 30-А, 30-Б и 30-В усилителей 29-А, 29-Б и 29-В, подсоединены через многоканальный АЦП 31 к входам внешних асинхронных портов 32 ПЭВМ 33 фиг.1. При этом поступающая в ПЭВМ 33 информация выведена на экран монитора 34 в виде непрерывно регистрируемой циклограммы смещения светового индикатора 35 взаиморасположения нагрузочных платформ 4 и 5.

В программную часть комплекса дополнительно введены программы непрерывной визуализации на экране монитора 34 перемещения в реальном

масштабе времени светового индикатора 35 положения нагрузочных платформ 5 и 6 относительно друг друга при сознательно контролируемом активном физическом воздействии на свободные концы подвижной 3 и опорной 4 штанги по жестким, последовательно задаваемым алгоритмам.

При этом для определения эргодинамометрических показателей используют стандартизованный алгоритм, предусматривающий осуществление индивидуально максимально быстрого и сильного наращивания усилий сжатия нагрузочных платформ 5 и 6 до предельных значений и последующего максимально быстрого уменьшения усилий их сжатия до полного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием рукояток подвижной 3 и опорной 4 штанг нагрузочного механизма 1, причем при тестировании кистевым жимом (фиг.1 и 2) в качестве наконечников подвижной 3 и опорной 4 штанг используют пальцевую 11 и ладонную 12 рукоятки, при тестировании опорным жимом (фиг.3) используют плоский упор 13, закрепляемый на подвижной штанге 3 и при тестировании максимальными усилиями, развиваемыми различными группами мышц исследуемых суставов (фиг.4) используют гибкие тяги 14, закрепляемые на подвижной штанге 3.

Проведение психофизиологических исследований также основано на выполнении стандартизованного алгоритма, предусматривающего осуществление индивидуально максимально быстрого входа в зоны непрерывно выполняемого последовательного волевого удержания до произвольного отказа обеими руками одновременно положения нагрузочных платформ 5 и 6 с мышечными усилиями, равными, например 75, 50 и 35% от максимального усилия, развиваемого каждой рукой в отдельности при постоянном визуальном контроле за динамикой удержания положения нагрузочных платформ 5 и 6 по смещению на экране монитора 34 светового индикатора 35 относительно изолинии. Произвольно выбираемую точность удержания положения нагрузочных платформ 5 и 6 в каждой зоне, на уровне, равном, например

5-, 10-процентным или другим значениям отклонения от идеального удержания в пределах изолинии, задают шириной графически отображаемых на экране монитора 34 полос, ограничивающих допустимую величину отклонения от изолинии светового индикатора 35 смещения нагрузочных платформ 5 и 6 относительно друг друга при контролируемом физическом воздействии на них в условиях наличия различных релевантных помех, которые создают, например, подачей внезапных световых и звуковых сигналов при исследовании помехоустойчивости, внезапным отключением программы визуализации на экране монитора 34 отображения светового индикатора 35 положения нагрузочных платформ 5 и 6 - при исследовании проприоцептивной памяти, инвертирования сторон зрительного восприятия светового индикатора 35 положения нагрузочных платформ 5 и 6 на экране монитора 34 и положения рук на наконечниках штанг 3 и 4 нагрузочного механизма 1 - при исследовании эффективности межполушарных сенсомоторных взаимодействий и т.п., или при их отсутствии.

Программа непрерывной визуализации на экране монитора 34 пространственного положения пружинных нагрузочных механизмов 1 относительного ограничительных штанг 22, симметрично закрепленных на общем основании 23 комплекса, выполнена с возможностью определения положения пружинного механизма 1 в границах, заданных диаметром контактных колец, по критерию «да-нет».

Программа математико-статистической обработки частотных, амплитудных и временных параметров кривых смещения на экране монитора 34 светового индикатора 35 положения обеих пар нагрузочных платформ 5 и 6 при сознательно контролируемом активном физическом воздействии на подвижную 3 и опорную 4 штанги в реальном масштабе времени и показателей функций систем вегетативного обеспечения предусматривает возможность автоматического составления индивидуального интегрального психофизиологического профиля человека, включающего оценку уровня

работоспособности (предметно-деятельного потенциала) по качеству, уровню и длительности удержания заданного положения нагрузочных платформ, уровня физиологического потенциала - по времени моторного программирования целевой установки на начало выполнения теста, уровню и длительности отклонения физиологических показателей от базовых значений, состоянию сенсорно-моторных и межполушарных взаимодействий и уровня личностного потенциала - по стратегии входа в зону удержания и распределения усилий между зонами непрерывно выполняемого последовательного волевого удержания положения нагрузочных платформ с мышечными усилиями, равными, например, 75, 50 и 35% от максимального усилия, а также по приоритетам выбора критериев отказа от волевого удержания заданного положения нагрузочных платформ.

Аппаратно-программный комплекс обеспечивает реализацию процедур эргодинамометрических и психофизиологических исследований следующим образом.

При подготовке комплекса в рабочее состояние нагрузочный пружинный механизм 1 модифицируют под выполнение конкретного тестирования, для чего выбирают необходимое местоположение нагрузочных платформ 5 и 6 на шарнирно соединенных с одного конца 2 строго ориентированных относительно друг друга подвижной 3 и опорной 4 штангах, вид наконечника свободного конца подвижной 3 и опорной 4 штанг и пространственное положение нагрузочного пружинного механизма 1 во время тестирования.

С этой целью скрепляют винтовым зажимом в нужном месте нагрузочную платформу 6 с опорной штангой 4 и содержащий силоизмерительный датчик 11 упругий элемент 10, к которому в свою очередь жестко закреплено основание 9 нагрузочной платформы 5 с подвижной штангой 3. Подбирают из набора пружин 8, имеющих однотипные размеры по торцам, необходимый комплект по сопротивлению сжатия, например 2,0, 1,0 или 0,5 мм/кг и располагают их симметрично на нагрузочных платформах 5 и 6 посадочных

местах 7 для пружин 8 - по три с каждой стороны. В местах жесткого крепления нагрузочных платформ 5 и 6 к подвижной 3 и опорной 4 штангам нагрузочного пружинного механизма 1 жестко закрепляют друг против друга постоянный магнит 12 и датчик Холла 13.

При организации тестирования кистевым жимом (фиг.1 и 2) закрепляют на свободных концах подвижной 3 и опорной 4 штанг ладонные 14 и пальцевые 15 рукоятки, причем в этом случае нагрузочный пружинный механизм 1 находится в пространственно свободном положении с возможностью ограничения его перемещений во время тестирования в пределах величины диаметра сменных контактных колец 20 различного диаметра, например 10, 20 или 50 мм, жестко закрепленных на нагрузочных пружинных механизмах 1 с помощью дополнительных зажимов 21. Для этого контактные кольца 20, жестко закрепленные на нагрузочных пружинных механизмах 1 надевают на ограничительные штанги 22, симметрично закрепленные на общем основании 23 комплекса.

При организации тестирования контактным надавливанием различными участками тела, например ладонью, стопой, лбом и др. (фиг.3) закрепляют на свободном конце подвижной штанги 3 плоский упор 16 фиг.3 с одновременной жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги 4 нагрузочного пружинного механизма 1 к общему основанию 23 комплекса.

При организации тестирования усилиями, развиваемыми различными группами мышц исследуемых суставов (фиг.4), закрепляют на свободном конце подвижной штанги 3 гибкие тяги 17 фиг.4 и с помощью подвижных упоров 18 зажима 19 тяг 17 формируют направление усилий относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей с одновременной жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги 4 нагрузочного пружинного механизма 1 к общему основанию 23 комплекса.

Закрепляют на теле человека 27 датчики функций систем вегетативного обеспечения - электроды для регистрации электрокардиограммы 24 и

миограммы 25, электрически соединенные с входами 28-А электрокардиографического усилителя 29-А и входами 28-Б миографического усилителя 29-Б соответственно, электроды для регистрации кожно-гальванической реакции 26, электрически соединенные с входами 28-В усилителя постоянного тока 29-В, совмещенного с блоком питания (на схеме не показано).

Электрически соединяют датчики Холла 13, жестко закрепленные на опорных штангах 4 обеих нагрузочных платформ 1, а также контактные кольца 20 и ограничительные штанги 22 с соответствующими входами 28-В усилителя постоянного тока 29-В.

Подсоединяют выходы 30-А, 30-Б, 30-В усилителей 29-А, 29-Б и 29-В через многоканальный АЦП 31 к входам внешних асинхронных портов 32 ПЭВМ 33 (фиг.1).

Затем переводят в положение «ВКЛЮЧЕНО» ключ блока питания усилителей (на схеме не показано) и выключатель ПЭВМ 33.

Проводят инструктаж с испытуемым относительно регламентов предстоящего исследования, условий и алгоритма действий испытуемого и оператора во время процедуры эргодинамометрического и комплексного психофизиологического тестирования, а также относительно возможных перемещений светового индикатора 35 положения нагрузочных платформ на экране монитора 34.

После выполнение этих предварительных мероприятий проводят 3-4 раза тестирование в обучающем режиме, после чего проводят контрольное тестирование согласно последовательно задаваемым алгоритмам с возможностью выбора режима индивидуально максимально быстрого и сильного наращивания усилий до предельных значений и последующего максимально быстрого уменьшения усилий сжатия нагрузочных платформ 5 и 6 до полного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием рукояток подвижной 3 и опорной 4 штанг, а также режима индивидуально максимально быстрого изменения обеими руками одновременно

усилий сжатия нагрузочных платформ 5 и 6 при входе в зоны стабильного удержания и последующего непрерывного волевого удержания стабильного положения нагрузочных платформ 5 и 6 до произвольного отказа с варьирующими дозированными мышечными усилиями, равными, например 75, 50 и 35% от максимального усилия, развиваемого каждой рукой в отдельности, с произвольно задаваемой точностью допустимых отклонений от положения идеального удержания в диапазоне 2-20%, визуально идентифицируемой на экране монитора 34 по ширине графически отображаемых полос, ограничивающих допустимую величину отклонения от изолинии светового индикатора 35 смещения нагрузочных платформ 5 и 6, в условиях наличия различных релевантных помех, создаваемых, например, подачей внезапных световых и звуковых сигналов при исследовании помехоустойчивости, внезапным отключением программы визуализации на экране монитора 34 отображения светового индикатора 35 положения нагрузочных платформ 5 и 6 - при исследовании проприоцептивной памяти, инвертирования сторон зрительного восприятия световых индикаторов 35 положения нагрузочных платформ 5 и 6 на экране монитора 34 и положения рук на наконечниках штанг 3 и 4 нагрузочных механизмов 1 - при исследовании эффективности межполушарных сенсомоторных взаимодействий, или при их отсутствии.

Программное обеспечение математико-статистической обработки предусматривает многовекторный анализ по жесткому алгоритму частотных, амплитудных, временных и скоростных параметров кривых смещения от изолинии световых индикаторов 35 положения обеих пар нагрузочных платформ 5 и 6 в реальном масштабе времени и показателей функций систем вегетативного обеспечения, на основании которых формируется индивидуальный интегральный психофизиологический профиль человека, включающий оценку уровня работоспособности (предметно-деятельного потенциала) по качеству, уровню и длительности удержания заданного положения

нагрузочных платформ, уровня физиологического потенциала - по времени моторного программирования целевой установки на начало выполнения теста, уровню и длительности отклонения физиологических показателей от базовых значений, состоянию сенсорно-моторных и межполушарных взаимодействий и уровня личностного потенциала - по стратегии входа в зону удержания и распределения усилий между зонами непрерывного волевого удержания стабильного положения нагрузочных платформ с мышечными усилиями, равными, например, 75, 50 и 35% от максимального усилия, а также по приоритетам выбора критериев отказа от волевого удержания заданного положения нагрузочных платформ. Выбранные режимы исследований при необходимости могут произвольно изменяться, для чего используются возможности ручного манипулирования программой вывода на экран монитора 34 релевантных помех.

ТИПОВЫЕ ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

Пример 1. Испытуемый В., 25 лет. Практически здоров.

Вид тестирования - эргодинамометрическое тестирование кистевым жимом.

Итоговый протокол тестирования, включающий сравнительные данные, полученные с использованием предлагаемого комплекса и прототипа при совершении однократного мышечного сокращения до развития максимальных усилий и последующего активного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием ладонной и пальцевой рукояток подвижных штанг нагрузочного механизма, приведен в табл.1.

Данным экспериментом подтверждена, с одной стороны, возможность расширения объема эргодинамометрических исследований с помощью предлагаемого комплекса по сравнению с прототипом, а с другой - полное совпадение результатов измерений однотипных показателей, полученных с помощью обоих устройств.

Пример 2. Больной Н., 50 лет. Диагноз: ИБС, стенокардия напряжения I функционального класса.

Вид тестирования - эргодинамометрическое тестирование опорным жимом стопы с максимальным усилием с использованием предлагаемого комплекса.

Итоговый протокол тестирования, включающий данные по определению основных показателей совершения однократного мышечного сокращения до развития максимальных усилий и последующего активного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием контакта с плоским упором, расположенным на подвижной штанге нагрузочного механизма, приведен в табл.2.

Данным экспериментом подтверждена возможность модификации нагрузочного пружинного механизма комплекса применительно к решению задач по тестированию мышечных движений в различных костно-суставных образованиях, в частности при тестировании опорным жимом.

Пример 3. Испытуемый Н., 20 лет. Практически здоров.

Вид тестирования - эргодинамометрическое тестирование максимальными усилиями, развиваемыми сгибательными мышцами локтевого сустава.

Итоговый протокол тестирования, включающий данные по определению основных показателей совершения однократного мышечного сокращения до развития максимальных усилий и последующего активного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием контакта с гибкими тягами, закрепленными на свободном конце подвижной штанги нагрузочного механизма, приведен в табл.3.

Данным экспериментом подтверждена возможность модификации нагрузочного пружинного механизма комплекса применительно к решению задач по тестированию мышечных движений в различных костно-суставных образованиях, в частности при тестировании сгибательных

мышц в локтевом суставе.

Пример 4. Испытуемый В., 25 лет. Практически здоров.

Вид тестирования - комплексное эргодинамомметрическое и психофизиологическое тестирование с использованием предлагаемого комплекса.

Итоговый протокол тестирования, включающий данные по определению основных показателей совершения мышечных движений по алгоритму выполнения многократной циклической изометрической нагрузки, выполняемой варьирующим кистевым жимом обеими руками одновременно с непрерывным визуальным контролем положения световых индикаторов положения нагрузочных платформ, приведен в табл.4.

Данным экспериментом подтверждена возможность проведения аппаратным способом комплексных эргодинамометрических и психофизиологических исследований в экспресс-режиме с использованием предлагаемого комплекса.

Таким образом, приведенные примеры практического использования предлагаемого аппаратно-программного комплекса подтверждают возможность проведения эргодинамометрического тестирования активно совершаемых мышечных движений различными группами мышц и (или) комплексного психофизиологического исследования функционального состояния организма человека при решении разнообразных задач в области медицины и спорта с высокой надежностью и информативностью результатов тестирования.

ИСТОЧНИКИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ

1. Патент №99120598. Динамометр.

2. Патент №97108729. Устройство для измерения амплитудно-силовых характеристик верхней конечности.

3. Патент №2220657. Устройство для измерения уровня напряжения мышц брюшного пресса.

4. Физиологическое тестирование спортсмена высокого класса. Под ред Д.Мак-Дугалла, Г.Э.Уэнгера и Г.Д.Грина. Киев «Олимпийская литература», 1998, 431 с.

5. Патент №2002125134. Устройство для исследования силы сжатия кисти.

1. Аппаратно-программный комплекс для эргодинамометрических и психофизиологических исследований, содержащий два динамометра, блок питания, блок усиления и преобразования сигналов, блок обработки и визуализации данных, отличающийся тем, что содержит два однотипных нагрузочных пружинных механизма, выполненных в виде шарнирно соединенных с одного конца строго ориентированных относительно друг друга подвижной и опорной штанг, на которых жестко закреплены друг против друга поперечно расположенные с возможностью произвольного изменения местоположения нагрузочные платформы, снабженные симметрично расположенными посадочными местами для пружин - не менее двух с каждой стороны, при этом основание одной из нагрузочных платформ закреплено на подвижной штанге через упругий элемент, содержащий силоизмерительный датчик, например тензорезистор, набор пружин с однотипными размерам по торцам и различным сопротивлением сжатию, например 2,0, 1,0 и 0,5 мм/кг, комплект сменных наконечников, включающий закрепляемые на свободных концах подвижной и опорной штанг ладонные и пальцевые рукоятки пространственно свободно расположенного нагрузочного пружинного механизма при тестировании кистевым жимом, закрепляемый на свободном конце подвижной штанги плоский упор с одновременной жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги нагрузочного пружинного механизма к общему основанию комплекса при тестировании контактным надавливанием различными участками тела, например ладонью, стопой, лбом и др., закрепляемые на свободном конце подвижной штанги гибкие тяги, снабженные подвижными упорами зажима тяг, выполненными с возможностью закрепления в различных положениях горизонтальной и вертикальной плоскостей с одновременной жесткой фиксацией винтовым зажимом опорной штанги нагрузочного пружинного механизма к общему основанию комплекса при тестировании усилиями, развиваемыми различными группами мышц исследуемых суставов, два преобразователя величины механических смещений нагрузочных платформ относительно друг друга в эквивалентный электрический сигнал, каждый из которых выполнен в виде пары постоянного магнита и датчика Холла, закрепленных друг против друга на нагрузочных платформах подвижной и опорной штанг, датчики функций систем вегетативного обеспечения, например, электроды для регистрации электрокардиограммы, миограммы и кожно-гальванической реакции, закрепляемые на теле человека, совмещенные с блоком питания два усилителя постоянного тока, входы которых соединены с силоизмерительным датчиком, датчиком Холла и электродами для регистрации кожно-гальванической реакции, а также электрокардиографический и миографический усилители, входы которых соединены с соответствующими датчиками функций систем вегетативного обеспечения, при этом выходы электрокардиографического и миографического усилителей и усилителей постоянного тока подсоединены через многоканальный АЦП к входам внешних асинхронных портов блока обработки и визуализации данных, выполненного, например, на основе ПЭВМ, содержащего программы непрерывной визуализации на экране монитора пространственного положения пружинных нагрузочных механизмов относительного ограничительных штанг и перемещения в реальном масштабе времени обоих световых индикаторов положения нагрузочных платформ относительно друг друга при сознательно контролируемом актином физическом воздействии на подвижные и опорные штанги по жестким, последовательно задаваемым алгоритмам с возможностью выбора режима индивидуально максимально быстрого и сильного наращивания усилий до предельных значений и последующего максимально быстрого уменьшения усилий сжатия нагрузочных платформ до полного мышечного расслабления при постоянном физическом контроле за удержанием рукояток подвижной и опорной штанг, а также режима индивидуально максимально быстрого изменения обеими руками одновременно усилий сжатия нагрузочных платформ при входе в зоны стабильного удержания и последующего непрерывного волевого удержания стабильного положения нагрузочных платформ до произвольного отказа с варьирующими дозированными мышечными усилиями, равными, например 75, 50 и 35% от максимального усилия, развиваемого каждой рукой в отдельности, с произвольно задаваемой точностью допустимых отклонений от положения идеального удержания в диапазоне 1-20%, визуально идентифицируемой на экране монитора по ширине графически отображаемых полос, ограничивающих допустимую величину отклонения от изолинии светового индикатора смещения нагрузочных платформ, в условиях наличия различных релевантных помех, создаваемых, например, подачей внезапных световых и звуковых сигналов при исследовании помехоустойчивости, внезапным отключением программы визуализации на экране монитора отображения светового индикатора положения нагрузочных платформ - при исследовании проприоцептивной памяти, инвертирования сторон зрительного восприятия световых индикаторов положения нагрузочных платформ на экране монитора и положения рук на наконечниках штанг нагрузочных механизмов - при исследовании эффективности межполушарных сенсомоторных взаимодействий, или при их отсутствии, а также программу математико-статистической обработки частотных, амплитудных, временных и скоростных параметров кривых смещения от изолинии световых индикаторов положения обеих пар нагрузочных платформ в реальном масштабе времени и показателей функций систем вегетативного обеспечения с возможностью составления индивидуального интегрального психофизиологического профиля человека, включающего оценку уровня работоспособности (предметно-деятельного потенциала) по качеству, уровню и длительности удержания заданного положения нагрузочных платформ, уровня физиологического потенциала - по времени моторного программирования целевой установки на начало выполнения теста, уровню и длительности отклонения физиологических показателей от базовых значений, состоянию сенсорномоторных и межполушарных взаимодействий и уровня личностного потенциала - по стратегии входа в зону удержания и распределения усилий между зонами непрерывного волевого удержания стабильного положения нагрузочных платформ с мышечными усилиями, равными, например, 75, 50 и 35% от максимального усилия, а также по приоритетам выбора критериев отказа от волевого удержания заданного положения нагрузочных платформ.

2. Аппаратно-программный комплекс для эргодинамометрических и психофизиологических исследований по п.1, отличающийся тем, что содержит установленные на обеих опорных штангах нагрузочных пружинных механизмов дополнительные зажимы для механического закрепления сменных контактных колец, набор сменных контактных колец различного диаметра, например 10, 20, 50 мм и общее основание комплекса, на котором жестко закреплены симметрично расположенные два зажима для механического закрепления опорных штанг и две ограничительные штанги пространственного положения сменных контактных колец, закрепленных на нагрузочных пружинных механизмах, причем контактные кольца и ограничительные штанги электрически соединены через многоканальный АЦП с входом внешнего асинхронного порта блока обработки и визуализации данных.