В настоящее время одной из самых распространенных патологий в детском возрасте является нарушение осанки, встречающееся, по данным статистики, у каждого третьего учащегося общеобразовательных школ. При этом практически все специалисты вследствие того, что дети большую часть своего времени находятся в вынужденной статической позе непосредственно во время учебного процесса, именно школу считают основным местом профилактики нарушений осанки [12]. В настоящее время из-за возрастающей интенсивности учебной нагрузки решение этой достаточно серьезной проблемы во многом связано с использованием специализированной одежды, к которой относят всевозможные корректоры осанки, призванные возвращать позвоночнику правильное физиологическое положение и формировать тем самым устойчивый статико-динамический стереотип ребенка.
Низкая эффективность коррекции осанки с помощью существующих корректоров позволяет сделать вывод о неприемлемости традиционных подходов к проектированию одежды для профилактики нарушений осанки. Существующие в швейной промышленности принципы проектирования такой специализированной одежды, на наш взгляд, обусловлены рассмотрением осанки преимущественно с морфологической точки зрения [4, 8]. Опираясь на такие характеристики осанки, как форма позвоночного столба, грудной клетки, положение головы, верхних и нижних конечностей, главной задачей при создании конструкций корректоров является жесткая фиксация позы с целью принудительного распрямления позвоночника и стабилизации правильной формы фигуры.
Весьма успешный клинический и исследовательский опыт накоплен в области создания специализированной медико-реабилитационной одежды для лечения заболеваний, связанных с нарушением или утратой двигательных функций человека. В результате воздействия на объект с помощью специфических медицинских технологий и ряда технических средств, способных управлять функциональной пластичностью двигательного аппарата, удается добиться заданного изменения состояния организма человека [5, 6, 9, 10].
В медицине [15] существующая система профилактических мер (занятия физкультурой и спортом, лечебная гимнастика, физиотерапевтические процедуры, массаж, рациональная организация предметно-пространственной среды и контроль осанки) основывается на представлениях об условно-рефлекторной деятельности человека, разработанных великими русскими физиологами. Согласно такому подходу к профилактике и лечению нарушений осанки, наиболее важными факторами, характеризующими осанку, являются состояние рефлекторных механизмов поддержания позы и общая регуляция ее высшими отделами центральной нервной системы (ЦНС).
С физиологической точки зрения осанка – это осознанно приобретаемый навык, привычка, динамический стереотип, то есть система определённых двигательных рефлексов. Добиться необходимого двигательного действия от человека и, следовательно, от всей системы можно многократным воздействием на систему и коррекцией ее реакции на эти воздействия [2]. При таком целенаправленном воздействии на объект посредством обратной связи с помощью определенной управляющей системы, в качестве которой может выступать человек, естественный или искусственный орган (устройство) и др., можно придать системе желаемые свойства, т.е. управлять ею. В данном случае, осуществляя с помощью профилактической одежды целенаправленное, систематическое стимулирующее воздействие на отвечающие за двигательные рефлексы зоны организма ребенка, можно управлять состоянием опорно-двигательного аппарата ребенка и формировать тем самым навык правильной осанки.
Идея рассмотрения организма ребенка как управляемой системы, а одежды – как средства управления, легла в основу научных исследований Помазковой Е.И. [13]. Целью настоящей статьи явилось изложение и обобщение некоторых основных результатов работы по использованию теории управления при проектировании детской профилактической одежды.
Предлагаемый подход к разработке школьной одежды для профилактики нарушений осанки представлен в виде общей концептуальной схемы (рис. 1). Объектом управления (ОУ), т.е. объектом, на который направляется управляющее воздействие, служит учащийся. Операция управления реализуется управляющим устройством (УУ), которым в случае проектирования одежды для профилактики нарушений осанки является центральная нервная система (ЦНС).
ЦНС на основании воздействия посредством определенных элементов школьной одежды (задающего воздействия G(t)) вырабатывает управляющее воздействие на организм ребенка U(t) и поддерживает на заданном уровне выходную величину Y(t).
Рис. 1. Концептуальная модель системы управления организмом ребенка посредством профилактической одежды
Поскольку в основу управления живых организмов положен механизм рефлекторного кольца, то в случае недостаточного с точки зрения формирования осанки выравнивания позвоночного столба в мозгу ребенка через аппарат памяти формируется сигнал обратной связи Yoc(t). Этот сигнал по эффекторным каналам поступает в ЦНС и сообщает о рассогласовании ε(t) = G(t) – Y(t). Величина рассогласования ε(t) корректируется нервной системой до тех пор, пока позвоночник ребенка не займет правильное положение. Таким образом, в случае проектирования профилактической одежды можно говорить об управлении по отклонению. На ОY в данном случае действуют внешние возмущающие воздействия X(t), основным из которых, существенно влияющим на регулируемую величину, является вынужденная статическая поза, определенная регламентом учебных занятий.
В математической форме процесс функционирования системы S можно описать во времени оператором Fs,, который преобразует независимые (экзогенные) переменные G(t), U(t), и X(t) в зависимые (эндогенные) Y(t) в соответствии с соотношениями вида [14]:
Y(t) = Fs(G(t), U(t), X(t), t). (1)
Управление – это целенаправленное воздействие на управляемый объект, приводящее к заданному изменению его состояния или удержанию в заданном состоянии [3]. С этих позиций задача создания школьной одежды, формирующей осанку, состоит в оказании такого воздействия на организм ребенка, при котором состояния опорно-двигательного аппарата, возникающие при неправильной учебной позе, регулировались бы до занятия позвоночником положения, соответствующего правильной осанке.
Таким образом, основная цель управления состоянием опорно-двигательного аппарата ребенка – перевод системы в новое состояние с выполнением некоторого критерия оптимальности I, характеризующего качество ее функционирования:
(2)
где t0, tk – временные границы учебного дня, ч.
Поскольку в данном случае требуется обеспечить равенство выходного сигнала системы Y(t) заданной величине G(t), функционал I отображает величину рассогласования ε(t) = G(t) – Y(t)ε(t) = – между заданным и действительным состояниями системы.
Задача оптимального управления процессом формирования осанки состоит в корректировании величины рассогласования до тех пор, пока позвоночник не займет правильное положение, т.е. в обеспечении минимального значения функционала I и, следовательно, наибольшей точности поддержания заданного значения в процессе регулирования:
(3)
Разработанная концептуальная модель системы управления организмом ребенка посредством профилактической одежды представлена в самом общем виде и не позволяет определить конкретные способы целенаправленного воздействия на организм ребенка средствами управления.
Для решения этих задач на основе проведенного биомеханического анализа процесса формирования нарушений осанки [7] и механизма нервной регуляции двигательных актов [1] разработана детализированная схема управления процессом коррекции осанки, реализующая принцип управления по отклонению (рис. 2). Она уточняет содержание и роль объекта управления и управляющих функций центральной нервной системы при решении поставленной задачи.
Объектом управления в данном случае служат мышцы учащегося ребенка, поскольку любая двигательная реакция организма осуществляется при участии мышц, которые, превращая скелет в систему рычагов, способствуют перемещению тела в пространстве. В случае длительного нахождения ребенка в фиксированной позе («позе ученика») происходит перенапряжение мышц пальцев (преимущественно 1, 2, 3), предплечья, плеча, шеи и головы, трапециевидных мышц, крестцово-остистых и косых мышц живота. Неравномерность гипертонуса скелетных мышц вследствие возникновения чрезмерно большого опрокидывающего момента относительно одной или двух плоскостей пространства, занимаемого телом человека, приводит к тому, что позвоночник вынужден будет изменить свою форму в соответствии с условиями нагружения [7].
В блоке управления в результате афферентного анализа рецепторами информация от задающих воздействий g1(t), g2(t), ..., gn(t) перерабатывается и частично в виде информационных сигналов 
передается в блок памяти для последующей обработки и формирования управляющих ответных реакций. В блоке памяти происходит формирование афферентной программы развития ситуации, кинематической и динамической программ движений, их запоминание и считывание. Другая часть преобразованных в нервные импульсы информационных сигналов задающих воздействий через рецепторы передается в нервные центры головного мозга, откуда по эфферентным каналам попадает на исполнительный орган (мышцы торса), регулируя их тонус путем управляющих воздействий u1(t), u2(t), ..., un(t). В результате система переходит в новое состояние, характеризующееся выходными параметрами y1(t), y2(t), ..., yn(t).
Рис. 2. Схема управления процессом коррекции осанки с помощью профилактической одежды
Анализ схемы показал, что программирование системы с помощью задающих воздействий необходимо осуществлять посредством конструктивных элементов одежды, служащих в качестве датчиков, воспринимающих определенную информацию от кожных рецепторов (проприорецепторов), отвечающих за управление двигательными функциями мышц позвоночника. Целью программирования в данном случае будет являться задание параметров, определяющих правильную осанку ребенка во время длительных статических рабочих поз (например, в положении сидя на уроке).
Заключение
Выявлена необходимость принципиально нового подхода к проектированию детской одежды для профилактики нарушений осанки на основе принципов теории управления, предусматривающего для достижения требуемых результатов оздоровления рассмотрение одежды как средства управления двигательными функциями ребенка. Преимуществом предложенного концептуального подхода к созданию конструкций специализированной одежды служит адекватное согласование биологических и технических звеньев системы «ребенок – профилактическая одежда – учебная деятельность». Разработанная в рамках данного подхода детализированная схема управления процессом коррекции осанки с помощью профилактической одежды позволит вырабатывать решения о выборе характера целенаправленного воздействия и его техническом осуществлении. Данный подход является универсальным и служит методологической основой при проектировании одежды специализированного назначения для профилактики и лечения различных заболеваний.
Работа выполнена в рамках реализации проекта Программы стратегического развития Владивостокского государственного университета экономики и сервиса «Решение комплексных проблем технологии изготовления изделий легкой промышленности на базе кафедры сервиса и моды».
Рецензенты:
Старкова Г.П., д.т.н., профессор кафедры сервисных технологий, зам. проректора по научной работе, г. Владивосток;
Шеромова И.А., д.т.н., профессор кафедры сервисных технологий, ВГУЭС, г. Владивосток.
Работа поступила в редакцию 07.08.2013.