Датчики биоэлектрических процессов

В процессе жизнедеятельности организма возникают биоэлектриче­ские сигналы, называемые биопотенциалами. Отражая физикохимические следствия обмена веществ, они являются информативными показателями течения физиологических процессов.

Биопотенциалы представляют собой сложные колебания не­симметричной формы. Частотный состав и амплитуда этих колебаний зависят от источника биопотенциалов. В спорте наибольшее распро­странение получили электрокардиография (запись биопотенциалов сердца) и электромиография (запись биопотенциалов скелетных мышц).

Биопотенциалы могут быть зафиксированы на поверхности тела, для чего достаточно приложить к коже датчики (электроды), подключенные к усилителю биопотенциалов. Электрическое сопротивление между электродами (межэлектродное сопротивление) складывается из незначительного сопротивле­ния внутренней среды организма и суммы сопротивлений кожи в местах наложения электродов.

Межэлектродное сопротивление должно быть низким. Снижение его необходимо как для увеличения амплитуды регистрируемых биопотенциалов, так и для повышения помехоустойчивости измери­тельной системы. При низком межэлектродном сопротивлении величи­на и форма биопотенциалов не зависят от его колебаний, возникающих при движениях спортсмена или при смещении электрода в случае удара по нему (как это бывает, например, в боксе). Снижение межэлектродно­го сопротивления обеспечивают очистка кожи в местах наложения электродов спиртом или смесью спирта с эфиром и втирание специальной электродной пасты, которая, кроме того, должна за­полнять и внутреннюю полость электрода. Такая несложная специ­альная процедура уменьшает толщину рогового слоя кожи, усиливает в ней кровообращение и благодаря этому снижает межэлектродное сопротивление до 10 килоом (кОм), чего в большинстве случаев вполне достаточно для практических целей. Однако иногда по условиям проведения исследований (повышенный уровень промышленных помех, радиотелеметрическое исследование боксеров, борцов и т. д.) требуется еще более низкое межэлектродное сопротивление. В этих случаях кожу под электродами до втирания в нее электродной пасты следует массировать пемзой до легкого покраснения.

Электрокардиограммой называется кривая изменения электрических потенциалов, возникающих при возбуждении и сокраще­нии сердечной мышцы. На точность регистрации электрокарди­ограммы влияет используемое отведение, т.е. размещение электродов в тех или иных точках тела.

Принятые в медицине стандартные отведения (фиксация электродов на конечностях) применяются в спорте лишь в условиях мышечного покоя. При исследованиях, проводимых во время физической нагрузки, электроды размещают на грудной клетке спортсмена. Электрокар­диограмма, регистрируемая с поверхности грудной клетки, имеет амплитуду до 1—3 мВ и частотный состав от 0,1 до 100-200 Гц. Чаще всего используются отведения, изображенные на рис. 46. Если тренера интересует не вся информация, получаемая с помощью электрокар диограммы, а лишь длительность сердечного цикла, то целесообразно использовать отведения, изображенные на рис. 46.

Рис. 46

Электрокардиографические отведения при контроле за состоянием спортсмена

в усло­виях тренировочных занятий и соревно­ваний

Электромиограммой называется кривая изменения электрического потенциала скелетных мышц. Электромиография используется для определения степени участия различных мышц в движении, для изучения координации и уровня активности мышц. Она позволяет исследовать внутреннюю структуру двигательного акта и тем самым помогает выявить наиболее рациональные и эффективные варианты спортивной техники.

В электромиографии применяются два типа электродов: электроды с малой отводящей поверхностью («игольчатые»), которые позволяют регистрировать потенциалы действия одной или немногих близлежащих двигательных единиц, и электроды с большой отводящей поверхностью («чашечные»), с помощью которых регистрируете так называемая интерференционная (от лат. inter - взаимно, между собой ufeno — ударяю) электромиограмма (применяется также термин «суммарная»). Чашечные электроды фиксируются на поверхности тела в области исследуемой мышцы. Регистрируемая (поверхности тела электромиограмма имеет амплитуду от нескольких единиц микровольт до 10—20 милливольт и частотный спектр oт единиц до нескольких сот герц.

При исследовании спортсменов чаще всего используют чашечные электроды. Они представляют собой металлические чашечки из нержавеющей стали или серебра диаметром 7—15 мм. Их накладывают на мышцу по ходу волокон вдоль ее брюшка. Резиновая пластинка, на которой крепятся электроды, приклеивается к коже клеем и закрепля­ется сверху пластырем или резиновой манжетой.

Рис. 47

Элетромиограмма (А) и интегрированная электромиограмма (Б)

Электромиографическое исследование может быть использовано для косвенного суждения о развиваемом усилии, о степени мышечного напряжения и об уровне энерготрат. В этих случаях обычно применяют электронные интеграторы (см. гл. 8), преобразующие натуральную электромиограмму в электрический сигнал, пропорциональный ее площади (рис. 47).