ОЧЕРК ВТОРОЙ
ЦИКЛОГРАММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Плоскостная проекция движения. Школа Marey (Bull, Gastine, 1897) сменила линейные изображения на точечные, для чего на изучаемых точках тела испытуемого укреплялись миниатюрные лампочки накаливания. Это видоизменение, подхваченное американцами (Gilbreth, 1909; Таунсенд, 1919) и немцами (Thun, 1922), получило наименование циклографии. Московская биомеханическая школа довела циклографическую технику до значительно большего совершенства по сравнению с теми формами, в каких она применялась на Западе. Отсюда современное состояние циклографии целесообразнее всего охарактеризовать, основываясь на работах именно этой школы (Т. Попова, З. Могилянская, 1934).
Типичная циклограмма ходьбы, сделанная в 1929 г., приведена на рис. 12.
Рис. 12. Циклограмма ходьбы (Бернштейн и Попова). Левая сторона тела, движение справа налево.
Траектории сверху вниз: c — центр тяжести головы; b — плечевое сочленение левой руки; a — локтевое сочленение левой руки; m — лучезапястное сочленение левой руки; gm — центр тяжести кисти; f — тазобедренное сочленение левой ноги; φ — точка на протяжении оси левого бедра; s — коленное сочленение левой ноги; s' — коленное сочленение правой ноги; P — голеностопное сочленение левой ноги; π — точка близ кончика стопы. Частота 90 снимков в секунду (Институт охраны труда, 1929).
На пункты тела исследуемого, подлежащие засъемке, насаживаются маленькие электролампочки (рис. 13). В крайнем случае можно воспользоваться лампочками для карманных фонариков, но лучше работают крошечные газонаполненные лампочки (рис. 13) со спиральной нитью, дающие идеально точечные изображения, поскольку их нить имеет длину всего 1 мм. Чаще всего лампочки помещают над центрами сочленений. Ток (напряжением 3—5 в) подводится к лампочкам через тонкие шнуры от надетого на исследуемом пояса. К последнему же он подходит через длинный шестижильный шнур — «хвост», имеющий 20—80 м длины, следовательно, не мешающий никаким движениям, даже бегу, и исходящий из электрораспределительного щитка экспериментатора. Можно снабжать лампочки током и от сухих батареек, надетых на самом исследуемом, но тогда ими нельзя будет управлять на расстоянии, что часто бывает очень важно.
Рис. 13. Лампочки для циклографии, положенные для уяснения их размеров на миллиметровую сетку.
Слева патрончик Вольфа, посредине — лампочка Вольф — Бернштейна, справа — для сравнения обыкновенная лампочка для карманного фонарика.
Циклограмма плоскостного переместительного движения (например, ходьбы или бега) снимается на неподвижную пластинку, помещенную в обыкновенный фотоаппарат. Если заставить исследуемого совершать движение с зажженными лампочками перед открытым объективом такого фотоаппарата, то перемещение каждой лампочки изобразилось бы на снимке одной сплошной кривой. Для того чтобы разбить изображение движения на отдельные последовательные фазы — получить хроноциклограмму, съемка ведется через быстро вращающийся затвор (обтюратор, рис. 14), который открывает объектив на очень короткое время через равномерные интервалы несколько десятков или сотен раз в секунду. Открывая объектив, обтюратор допускает в него лучи от всех циклолампочек сразу, сколько бы их ни было в поле зрения, и сразу же обрезает их все при новом закрывании объектива. Поэтому точки всех пунктиров (см. рис. 12), на которые обтюратор разбивает изображения лампочковых траекторий, строго соответствуют друг другу по времени. Если соединить прямыми линиями соответствующие по времени точки смежных траекторий, то получаются схемы последовательных поз движения, совершенно подобные хронофотограммам Marey и Fischer (рис. 15 и 16). С помощью обтюратора легко получить частоты до 600 в секунду, т. е. больше, чем дает лупа времени Дебри. Выше этой частоты идти уже трудно, так как точки траекторий начинают сливаться друг с другом. Добавочных приспособлений, применяемых для наиболее надежного распознавания соответствующих точек смежных траекторий, мы здесь касаться не будем.
Рис. 14. Мотор с обтюратором, снабженным тонрадом для стабилизации скорости его вращения. По последней системе автора обтюраторы делаются полупрозрачными. Это дает на циклограмме слабые линии, связывающие между собой последовательные точки одной траектории (наподобие рис. 15, на котором это соединение врисовано от руки).
Рис. 15. Циклограмма удара молотком при рубке зубилом.
Обозначения траекторий: m — центр тяжести молотка; d — центр тяжести кисти; p — лучезапястное сочленение; c — локтевое сочленение. Частота 30 снимков в секунду (Центральный институт труда, 1923).
Рис. 16. Последовательные положения правой руки и молотка при правильном движении рубки зубилом. Интервалы времени между фазами 1/15 секунды.
Чертеж сделан по циклограмме рис. 15 (Центральный институт труда, 1923).
Циклография в описанном виде плохо применима к изучению циклических, запутанных движений, к каковым относится большинство трудовых процессов: при этого рода движениях изображения лампочковых траекторий дадут на неподвижной фотопластинке запутанные, неразборчивые клубки. Для устранения этого недостатка циклография заменяется предложенной Н. А. Бернштейном и А. А. Яловым (1924) кимоциклографией, т. е. циклографической съемкой на медленно и равномерно перемещающуюся пленку. Циклоизображение мелкого, возвратного движения развертывается при этом на пленке в волнообразную кривую (рис. 17), всегда легко читаемую. Приняв во внимание собственное движение пленки (что достигается очень простыми способами) и вычтя его из полученной на снимке кривой, наблюдатель получает на основании кимоциклограммы столь же точные и неискаженные данные о протекании движения, как и те, что даются для простейших движений обычной циклограммой.
Рио. 17. Кимоциклограмма опиловки.
Наверху снимка видны фигура исследуемого и обыкновенная циклограмма одного цикла опиловочного движения, совершенно неразборчивая. Книзу идет серия развернутых кривых на движущуюся пленку. Частота 73 снимка в секунду (Центральный институт труда, 1924).
Стереоскопическая запись движений. И циклография, и кимоциклография дают при названных выше способах применения лишь плоскостную проекцию снимаемого движения. Для возможности суждения о глубинных перемещениях приходится обращаться к некоторым осложняющим приспособлениям. Перемещения какого-либо объекта в пространстве, иначе говоря, изменения всех трех пространственных координат этого объекта могут быть зарегистрированы при наблюдении не менее чем с двух различных точек зрения. Braune и Fischer фотографировали ходьбу одновременно с 4 пунктов отдельными, независимыми камерами. В наше время многим исследователям импонирует более всего стереоскопическая съемка, т. е. съемка двумя объективами с параллельными оптическими осями. Однако легко показать, что точность определения глубинной координаты тем выше, чем дальше друг от друга стоят обе точки наблюдения, т. е. в нашем случае оба стереоскопирующих объектива. При обычном, свойственном стереоскопу расстоянии между осями объективов, равном 6,5 см, точность измерения глубинной координаты слишком мала. Приходится расставлять стереообъективы на значительно большее расстояние друг от друга, измеряемое десятками сантиметров. Такое раздвигание влечет за собой чрезмерное различие полей зрения обеих камер в силу параллельности оптических осей их объективов. Вследствие этого более выгодной оказывается съемка движения двумя камерами не с параллельными, а сходящимися (конвергирующими) оптическими осями объективов. Этого рода установка применена была Дриллисом (Drillis R., 1930). Для синхронизации он помещал обтюраторы обеих далеко отставленных друг от друга камер на одной общей длинной оси. Московская биомеханическая школа избрала другой путь, оказавшийся несравненно более удобным и точным. Разработанная автором этой книги в 1928—1929 гг. «зеркальная методика» позволяет получить две резко различные точки зрения, пользуясь всего одним аппаратом, а следовательно, и одним обтюратором.
Для этого в поле зрения аппарата, под некоторым углом к оптической оси его объектива, ставится большое плоское зеркало безукоризненной шлифовки. Зеркало ставится так, чтобы в поле зрения аппарата движущийся объект изучения был виден дважды: а) непосредственно и б) отражаясь в зеркале (рис. 18). Зеркало заменяет вторую, удаленную точку зрения: если, например, оно расположено под углом 45° к главной оптической оси объектива, то даваемая им точность равноценна точности конвергирующей съемки двумя камерами, раздвинутыми на удвоенное расстояние от камеры до зеркала. Строго говоря, точность зеркальной съемки еще несколько выше, так как здесь не приходится беспокоиться ни об идеальной пригонке двух объективов, ни о тщательной установке их главных осей, что решающим образом важно при конвергирующей двухкамерной съемке.
Рис. 18. Обстановка зеркальной кимоциклосъемки. Исследуемая перфористка на машине «Пауерс». Слева — зеркало с масштабом и номером очередного снимка (Институт охраны труда, 1929).
Материал, получаемый при помощи зеркальной кимоциклографии, далеко оставляет за собой по точности все то, что может быть получено посредством других существующих сейчас способов регистрации движений. Кимоциклограмма позволяет получить несколько сот фаз движения в секунду, причем измерение временного интервала между смежными фазами может быть выполнено с точностью до миллионных долей секунды. Умело снятая зеркальная кимоциклограмма дает и хорошую пространственную точность не ниже 1 мм по любой из трех зеркальных координат. Однако наиболее важное достоинство описанного сейчас в самых общих чертах метода заключается в той легкости, с какой получаемый им материал поддается количественному анализу и механической расшифровке.
Фоторегистрация движения не есть цель исследования, она только его средство, обеспечивающее возможность приближения к действительной цели изучения — физиологическому и биомеханическому анализу двигательного процесса.
Методы анализа циклограмм. Для расшифровки следует прежде всего измерить полученный снимок движения. Измерять положения циклографических точек на самом пленочном негативе трудно. Кроме того, это будет очень неточно. Fischer измерял свои негативы под специальным микроскопом, что также неудобно и недостаточно точно в силу малого поля зрения объектива. Московские биомеханики пользуются для измерений методом фотопромеров, предложенным В. И. Лаврентьевым. С цикло- или кимоциклонегатива делается крупное фотографическое увеличение, причем одновременно с ним на бумагу наносится фотографическим же путем миллиметровая или даже полумиллиметровая сетка. По такому фотопромеру легко с очень большой точностью прочесть координаты всех циклографических точек (рис. 19). Эти координаты и есть тот основной сырой материал, для получения которого были необходимы все охарактеризованные выше приспособления и из анализа которого может быть затем почерпнуто максимальное количество сведений о протекании заснятого движения. Недостаток кинематографического способа регистрации и состоит именно в том, что по киноснимку координаты получить гораздо труднее и достижимая в нем точность значительно ниже.
Рис. 19. Кусок фотопромера по Лаврентьеву и способ чтения его через лупу.
По координатному материалу исследователь может прежде всего восстановить последовательные положения звеньев тела в пространстве, которые они занимали от мгновения к мгновению во время циклографического снимка (рис. 20). Имея график таких последовательных положений, он может далее легко измерить суставные углы, опять-таки во всех оттенках их постепенных изменений. Координатный материал, полученный из зеркальной кимоциклограммы, позволяет получить все желаемые проекции последовательных фаз изучаемого движения: «увидеть» его и спереди, и сбоку, и сверху. Такое наблюдение дает сведения об общем объеме или размахе движения, об амплитудах движения отдельных точек тела, о пределах изменений суставных углов, о расположении траекторий движения по отношению к окружающим предметам и о форме этих траекторий.
Рис. 20. Фотопромер циклограммы ходьбы с врисованными в него основными фазами ходьбы.
Частота 90 снимков в секунду (Институт охраны труда, 1929).
Изменения каждой координаты движения по времени могут быть представлены в виде кривой. Такая кривая с особенной отчетливостью воспроизводит характерные особенности движения. Еще выразительнее выявляются эти черты в кривых изменения скоростей движения, которые также могут быть получены на основании координатного материала с помощью очень простого процесса. Очень несложным путем могут быть получены также кривые угловых скоростей движений звеньев.
Чрезвычайно большое, подчас решающее значение имеет анализ действующих сил, которые обусловили данное движение. Первые шаги в направлении учета таких сил по хронофотограмме были сделаны Braune и Fischer, указавшими и путь к достижению этого учета. Из хронофотограммы или из циклограммы невозможно получить данные о силах непосредственным путем. Однако же из них, а именно из упомянутых только что кривых скоростей, можно получить значения .ускорений тех или иных точек тела. Динамические же силы измеряются как произведения ускорений на массы ускоряющихся частей. Именно таким путем, определив тем или иным способом массы звеньев тела, возможно перейти от ускорений, определяющихся из циклограммы, к действующим усилиям. Как видно будет из дальнейшего изложения, силовой анализ движения и сопоставление данных об усилиях с данными о протекании движения под действием этих усилий дают наиболее яркую, проникающую далеко вглубь биомеханическую и физиологическую характеристику двигательного процесса.
Циклограмметрическая техника расшифровки и анализа фотодокументов движения была настолько полно разработана к середине 30-х годов, что за весь протекший с тех пор период времени обогатилась лишь незначительно. Как одно из существенных достоинств этой техники1, нужно отметить применение к анализам методики номограмм, для которых были выработаны приемы расчета, построения и использования в циклограмметрии. Номография позволила полностью «автоматизировать» (т. е. свести все вычисление к наложению на шкалы прямой линейки) нахождение значений действительных пространственных координат х, у, z по зеркальным циклодокументам с любым расположением зеркала, а при этом с любым желаемым началом координат и направлениями осей, свела к столь же элементарным операциям расчеты угловых положений и межзвенных углов звеньев тела по их концевым координатам (О. А. Зальцгебер, 1948) и т. д.
Важнейшие нововведения по технике регистрации двигательных актов и мышечной деятельности были уже перечислены выше, а другие, менее значительные, читатель найдет в литературном указателе к настоящему очерку. Остается упомянуть здесь о нескольких интересных усовершенствованиях последнего времени в самой циклографии. Для обеспечения разборчивости циклограмм сложных движений с перепутывающимися траекториями световых точек был предложен остроумный способ использования разноцветных лампочек и съемки на пленку для цветной фотографии, что стало возможным благодаря огромному прогрессу в светосиле фотооптики и высокой светочувствительности кодахромовских и агфа-колор пленок (Drillis). Неудобство, связанное с необходимостью вести циклосъемки в затемненном помещении или ночью, было успешно устранено при помощи стробоскопии. Пространство, в котором движется исследуемый, освещалось сильными прожекторами прерывисто через отверстия того же обтюратора, который обеспечивал и разбивку циклографических траекторий на точки. При этом пропускание света прожекторов и открывание объектива фотокамеры чередуются с частотой циклосъемки 80—100 раз в секунду, так что происходит полное слияние мельканий и исследуемый ощущает освещение как непрерывное. В объектив же не попадает никакого света, кроме испускаемого циклолампочками. Для той же цели применялся и поляризованный свет.
Следует упомянуть, наконец, о так называемой методике кинограмм, обстоятельно разработанной А. А. Стуколовым (1960). Кинодокумент субрапидной частоты — 48 или 64 кадра в секунду — оказался удобным для замера по нему важнейших переменных из числа тех, которые позволяет получать циклография. Это делает съемку движений (трудовые, спортивные, патологически нарушенные и т. п.) в форме, пригодной для циклограмметрического анализа, широко доступной для каждого тренера, инструктора или врача, имеющего в своем распоряжении хотя бы любительский киносъемочный аппарат.
1 Эта техника наиболее подробно изложена в книге Т. С. Поповой и З. В. Могилянской «Техника изучения движений», изд. «Стандартизация и рационализация». М., 1934.