Summary
Overvågning atleter er afgørende for at forbedre ydeevnen og reducere risikoen for skader i holdsport. Nuværende metoder til at overvåge atleter omfatter ikke de nedre ekstremiteter. Vedhæftning af flere inertiale måleenheder til de nedre ekstremiteter kan forbedre overvågningen af atleter i marken.
Abstract
Nuværende atlet overvågning praksis i holdsport er primært baseret på positionelle data målt ved global positionering eller lokale positionering systemer. Ulempen ved disse målesystemer er, at de ikke registrerer kinetik med lavere ekstremitet, hvilket kan være en nyttig foranstaltning til at identificere skadesrisikofaktorer. Hurtig udvikling inden for sensorteknologi kan overvinde begrænsningerne i de nuværende målesystemer. Med inertiale måleenheder (IMU'er) sikkert fastgjort til kropssegmenter, sensorfusionsalgoritmer og en biomekanisk model kunne fælles kinematiske estimeres. Hovedformålet med denne artikel er at demonstrere en sensor setup til vurdering af hofte og knæled kinematik af holdsport atleter på området. Fem mandlige forsøgspersoner (22,5 ± 2,1 år; kropsmasse 77,0 ± 3,8 kg; højde 184,3 ± 5,2 cm; træningserfaring 15,3 ± 4,8 år) udførte en maksimal 30 meter lineær sprint. Hofte- og knæledvinkler og vinkelhastigheder blev opnået ved fem IPU'er placeret på bækkenet, begge lår og begge shanks. Hoftevinklerne varierede fra 195° (± 8°) forlængelse til 100,5° (± 8°) fleksion og knævinkler varierede fra 168,6° (± 12°) minimal fleksion og 62,8° (± 12°) maksimal fleksion. Desuden varierede hoftefarvehastigheden mellem 802,6 °s-1 (± 192 %s-1)og -674,9 %s-1 (± 130 °·s-1). Knæets vinkelhastighed varierede mellem 1155,9 °s-1 (± 200 °·s-1)og -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1). Sensoropsætningen er blevet valideret og kan give yderligere oplysninger om atletovervågning i marken. Dette kan hjælpe fagfolk i en daglig sportsindstilling til at evaluere deres træningsprogrammer, der sigter mod at reducere skader og optimere ydeevnen.
Introduction
Holdsport (f.eks. fodbold og hockey) er kendetegnet ved skiftevis korte eksplosive handlinger såsom højintensiv løb eller sprint, med længere perioder med mindre krævende aktiviteter som at gå eller jogge1,2,3,4,5,6. I løbet af de sidste årtier har spillets fysiske krav udviklet sig med mere afstand dækket ved høj hastighed og sprint, hurtigere boldhastigheder og flere afleveringer7,8.
Atleter træner konstant hårdt for at opretholde og forbedre deres fysiske kapacitet til at modstå spillets fysiske krav. Den korrekte anvendelse af en træningsstimulans i kombination med tilstrækkelig genopretning fremkalder reaktioner, der fører til tilpasning af menneskekroppen, forbedring af fitness og ydeevne9. Tværtimod kan en ubalance mellem en træningsstimulering og genopretning føre til langvarig træthed og en uønsket træningsrespons (maladaptation), hvilket øger risikoen for skade hos både professionelle og amatørholdssportsudøvere10,11,12,13.
En af de største risici ledsaget af høj træning og match stimuli er muskel stamme skader. Muskel stamme skader udgør mere end en tredjedel af alle tid-tab skader i holdsport og forårsage mere end en fjerdedel af den samlede skade fravær, med hamstrings er den hyppigst involverede14,15,16,17. Desuden er antallet af atleter, der opretholder en forstrækning stamme skade stiger hvert år18,19, på trods af at flere programmer er blevet indført for at forhindre forstrækning stamme skader12,13,20,21. Derfor har dette en negativ indflydelse fra sportslige22 og finansielle23 perspektiver. Således tilstrækkelig overvågning af de enkelte atleter er afgørende for at optimere træningsplaner, minimere skade risiko og optimere ydeevnen.
Nuværende atlet overvågning praksis i holdsport er primært baseret på position data målt ved lokale eller globale positionering systemer24,25. Disse systemer overvåger aktivitet med GPS-baserede målinger,f.eks. En ulempe ved disse foranstaltninger er, at de ikke omfatter kinematik med lavere ekstremitet. Optoelektroniske målesystemer tjener som guldstandard til at udføre en kinematisk analyse af de nedre ekstremiteter under en lineær sprint29,30,31,32. Ulemperne ved disse systemer er manglende økologisk gyldighed på grund af deres begrænsede måleområde, behovet for en ekspert til at betjene systemet og den tidskrævende dataanalyse. Således er denne metode ikke egnet til daglig sportspraksis.
Hurtig udvikling inden for sensorteknologi kan overvinde begrænsningerne i de nuværende metoder til at overvåge atleter. De seneste muligheder for pålidelighed, miniaturisering og datalagring af inertielle måleenheder (IMU) muliggør in-field anvendelse af sensorteknologi. IOU indeholder et accelerometer, gyroskop og magnetometer, som måler acceleration, vinkelhastighed og magnetfelt i tre ortogonale akser henholdsvis33,34. Med sensorer sikkert fastgjort til kropssegmenter, sensorfusionsalgoritmer og en biomekanisk model er det muligt at estimere fælles kinematik33. Registreringen af fælles kinematik i kombination med oplysninger om acceleration af forskellige kropssegmenter kan forbedre atletovervågning i holdsport.
Ved at koble IMU-sensoropsætningen til en standardiseret felttest kan det illustreres, hvordan kinetik med lavere ekstremitet registreres under lineær sprint i marken, hvilket kan være en nyttig foranstaltning til at identificere skadesrisikofaktorer. Sensoropsætningen kan give yderligere oplysninger til aktuelle overvågningsforanstaltninger, som fagfolk kan bruge til at optimere træningsplaner for at forbedre ydeevnen og minimere risikoen for personskader. Derfor er hovedformålet med denne artikel er at demonstrere en inertial sensor setup til vurdering af hofte og knæled kinematik af holdsport atleter på området.
Protocol
Alle metoder, der er beskrevet i dette afsnit, er godkendt af det etiske udvalg under Center for Human Movement Sciences ved Universitetet i Groningen (Registernummer: 201800904).
1. Forberedelse af felttest og inertiel måleenhed
- Sæt to kegler mindst 1 m fra hinanden for at bestemme starten af felttesten.
BEMÆRK: 1-m afstanden mellem keglerne gør det nemt for forsøgspersonen at køre gennem marktestens udgangspunkt. Denne afstand kan justeres til testlederens præference. - Målpunktet for feltprøven bestemmes ved at rulle målebåndet fra prøvens startpunkt, indtil der er tilbagelagt en lineær afstand på 30 m.
- Indstil to kegler mindst 1 m fra hinanden for at bestemme slutpunktet for felttesten.
- Forbered IOU'erne til at blive korrekt fastgjort til emnets krop.
BEMÆRK: Se Materialetabel for IMU-dimensioner og vægtegenskaber.- Skær stræktape i 5 stykker på størrelse med 10 cm x 10 cm.
- Skær dobbeltsidet klæbebånd (f.eks. toupeetape) i 5 stykker svarende til størrelsen af de IOU'er, der bruges.
- Fastgør et stykke dobbeltsidet klæbebånd til hver IMU.
- Mærk hver IMU, så den kan genkendes individuelt under dataanalyse.
2. Forberedelse af forsøgspersoner
- Få oplysninger om motivets køn, alder, kropsvægt og højde. Bed forsøgspersonen om at udfylde et spørgeskema om deres baggrund i holdsport. Få skriftligt informeret samtykke fra forsøgspersoner, der opfylder inklusionskriterierne.
BEMÆRK: Eksempler på spørgsmål: (i) Hvor mange år spiller du fodbold? (ii) På hvilket niveau spiller du fodbold? (iii) Hvor mange timer om ugen har du fodboldtræning i løbet af de sidste 6 måneder? (iv) Hvad er din spilleposition? (v) Har du oplevet nogen smerte, eller har du lidt en muskel- og skeletskade i den nedre ende i løbet af de sidste 6 måneder? - Find ud af, om emnet opfylder inklusionskriterierne.
BEMÆRK: Medtag forsøgspersoner, når de ikke har oplevet muskel- og skeletskader eller smerter i underekstremiteterne i de 6 måneder, før protokollen udføres; bør have mere end 1 års erfaring i konkurrerende holdsport på amatørniveau. - Bed emnet om at skifte til sportstøj (f.eks. en fodboldskjorte, fodboldshorts og fodboldsko).
BEMÆRK: Fordi sensorer vil blive placeret på skinnebenet, fodbold sokker er uønskede. - Forbered IME'erne til at fastgøre til emnets krop.
- Juster alle 5 IOU'er ved siden af hinanden.
- Aktiver alle fem IOU'er på samme tid ved at trykke på en knap oven på sensoren. Sensoren aktiveres, når et grønt lys blinker.
BEMÆRK: Fra dette øjeblik prøver hver IMU data ved 500 Hz. Data gemmes internt på et SD-kort. Data skal uploades til en bærbar computer eller computer, når testen er afsluttet. - Sørg for, at der er genereret en mekanisk top ved at trykke på alle IME'er på en hård overflade på samme tid (f.eks. på et bord).
BEMÆRK: Den mekaniske top er nødvendig for at synkronisere IMU-signalerne. Synkronisering af IMU-signalerne udføres under databehandling (afsnit 5). Dette afsnit er ikke nødvendigt, når der anvendes kommercielt tilgængelige sensorer. I dette tilfælde skal du bruge den tilsvarende software til at synkronisere sensorerne.
- Vedhæft IME'erne til emnets krop (figur 1).
- Barber motivets kropshår på følgende anatomiske steder: ved korsbenet mellem både bageste overlegne iliaca rygsøjler, den anteromediale benede del af både højre og venstre skinneben, og den laterale del af både højre og venstre lår (dvs. tractus illiotibialis).
BEMÆRK: De anatomiske steder, hvor sensorer skal placeres, kan bestemmes ved palpation. - Sprayklæbende spray på de anatomiske steder, der er beskrevet i trin 2.5.1. Vent 5−10 s for at sikre, at klæbesprayen er tør.
BEMÆRK: Hold sprayen mindst 10 cm væk fra huden, og sprøjt det ønskede område med en fejende bevægelse. - Fjern beskyttelseslaget på det dobbeltsidede klæbebånd fra IPU'erne.
- Placer IMU på de beskrevne anatomiske steder. Nedskrænk den anatomiske placering med den tilsvarende etiket af IMU (f.eks. højre skaft: IMU 1).
- Fastgør strækbåndet oven på hver IMU for at sikre, at sensoren er desuden fastgjort til huden.
- Barber motivets kropshår på følgende anatomiske steder: ved korsbenet mellem både bageste overlegne iliaca rygsøjler, den anteromediale benede del af både højre og venstre skinneben, og den laterale del af både højre og venstre lår (dvs. tractus illiotibialis).
3. IMU-sensorkalibrering
- Instruer motivet til at stå stille i en neutral position med fødderne hoftebredde fra hinanden og deres hænder i deres side. Bevar denne position i mindst 5 s.
- Anvis forsøgspersonen om at bøje venstre hofte og knæ til en vinkel på 90° i sagittalplanet efterfulgt af at udvide hoften til deres neutrale position som beskrevet i trin 3.1.
BEMÆRK: For definitioner af kinematiske variabler, se figur 2. - Gentag trin 3.2 for højre hofte og knæ.
- Bed deltageren om at bøje bagagerummet mod jorden og vende tilbage til deres neutrale position.
- Vent et minimum på 5 s.
- Gentag trin 3.1−3.5 én gang.
4. Udfør den 30 m lineære sprinttest
- Instruer forsøgspersonen i at varme op (f.eks. det fodboldspecifikke FIFA 11+ opvarmningsprogram20).
- Informer forsøgspersonen om testprotokollen.
- Det fremgår klart, at risikoen for at pådrage sig en skade under prøven ikke er højere end under normal træning, og at forsøgspersonen til enhver tid kan afbryde prøven uden at angive nogen grund.
- Instruer motivet til at stå i den rigtige udgangsposition, med deres foretrukne fod stående på startlinjen og deres skuldre bag startlinjen på banen.
- Instruer forsøgspersonen om, at testlederen tæller ned fra 3 til 0 efterfulgt af at råbe 'Start'. Instruer, at når 'Start' er blevet kaldt, begynder testen.
- Informer forsøgspersonen så hurtigt som muligt, indtil 30 m slutpunktet er nået. Når 30-m målstregen er nået, skal forsøgspersonen decelerere så hurtigt som muligt til stilstandsposition.
- Lad emnet stille spørgsmål. Hvis det er nødvendigt, skal du lade emnet udføre en øvelse for at gøre emnet fortroligt med protokollen.
- Spørg forsøgspersonen, om instruktionerne var klare.
- Sørg for, at motivet er i den rigtige udgangsposition.
- Tæl ned fra '3' til '0' og råb 'Start' for at starte testen. Start timeren, når starttegnet er angivet.
- Opmuntre emnet for at opnå maksimal ydeevne.
- Stop timeren, når deltageren har nået sin stilstandsposition.
- Gentag trin 4.4−4.6, indtil der er udført tre sprints.
BEMÆRK: Lad deltagerne hvile i mindst 2 minutter mellem forsøgene. Medtag den hurtigste sprint til dataanalyse. - Bed forsøgspersonen om at foretage en nedkøling.
- Fjern IPU'erne fra emnet ved at fjerne strækbåndet og dobbeltsidet klæbebånd fra motivets krop.
5. Databehandling
- Tilslut IMU'en med en computer ved hjælp af et USB-kabel. Eksporter de rå IMU-data til en bestemt mappe på computeren.
- Åbn MATLAB (version r2018b). Importér de rå IMU-datafiler (dvs. accelerometer- og gyroskop- og magnetometerdata).
- Synkroniser de rå IMU-datafiler.
- Importér accelerationsdatafilen for én sensor (f.eks. bækkensensor).
- Beregn ryk ved at differentiere X-, Y- og Z-accelerationssignalerne. Opsummer X, Y og Z jerk for at få det samlede ryk.
- Få den mekaniske top ved at finde indeksværdien i den datafil, hvor det samlede ryk har nået sin maksimale værdi. Indeksværdien er starten på målingen.
- Slet alle datapunkter i accelerationsdata, magnetometerdata og gyroskopdata før sensorens indeksværdi.
- Gentag trin 5.3.1−5.3.3 for hver rå datafil for den tilsvarende sensor.
- Find ud af, hvilken sensor der indeholder den laveste mængde datapunkter, ved at hente antallet af datapunkter, der er udtaget prøver af, for hver datafil.
- Klip alle andre datafiler, der svarer til størrelsen på den sensor, der registrerede signaler i den korteste periode.
- Filtrer gyroskopdata ved hjælp af et andet Smørworth-filter med lav gennemløb med en afskæringsfrekvens på 12 Hz.
BEMÆRK: Filteret og den særlige skæringsfrekvens blev valgt på baggrund af visuel datainspektion i tidligere pilotforsøg. - Opnå sensororientering i forhold til den globale jordramme ved at beregne sensorens orienteringskvaternion ved hjælp af et Madgwick-filter35.
BEMÆRK: En omfattende beskrivelse af, hvordan sensororientering med hensyn til den globale jordramme beregnes, er beskrevet i Madgwick et al.35. - Juster sensorkoordinatrammen efter kropssegmentet.
- Vælg indeksnumrene for datafilen, når motivet stod stille under kalibreringen (trin 3.1).
BEMÆRK: Det antages, at sensorens længdeakse svarer til tyngdekraftens vektor. - Brug indeksnumrene i trin 5.6.1 til at beregne den gennemsnitlige retning af hver sensor i forhold til den globale referenceramme under den statiske kalibrering. Drej derefter sensorrammen for hver sensor, så den flugter med den globale referenceramme under statisk kalibrering.
- Vælg indeksnumrene for datafilen, når kalibreringsbevægelsen for venstre ben blev udført (trin 3.2).
- Drej retningen af venstre bensensorer på en sådan måde, at kalibreringsbevægelsen kun er en rotation om frontaksen.
- Gentag trin 5.6.3 og 5.6.4 for kalibreringsbevægelserne i højre ben og bagagerum.
- Vælg indeksnumrene for datafilen, når motivet stod stille under kalibreringen (trin 3.1).
- Opnå fælles orienteringer ved at udtrykke orienteringen af distalt karrosserisegmentet i koordinatrammen for det proksimale segment for hvert led.
- Opnå fællesvinkler ved at nedbryde de opnåede fællesretninger i 'XZY' Euler-vinkler.
BEMÆRK: Hvordan man nedbryder de opnåede fælles orienteringer i 'XZY' Euler vinkler er beskrevet i arbejdet i Diebel36. - Opnå fælles kantede hastigheder, der udtrykker gyroskopsignalerne for hvert distalsegment i koordinatrammen for det tilsvarende proksimale segment minus vinkelhastigheden af det proksimale segment.
- Identificer hvert trin under den lineære sprint ved hjælp af en algoritme til registrering af trin.
- Importer de filtrerede gyroskopdata i MATLAB.
- Brug en topdetekteringsfunktion til at identificere toppe i gyroskopsignalet.
BEMÆRK: Tophøjden blev fastsat til 286,5 °s-1, og den minimale spidsbelastningsafstand blev fastsat til 100 prøver (= 0,2 s).
- For hvert trin skal du beregne den maksimale værdi for hoftevinkel, knævinkel, hofte kantet hastighed og knæangulær hastighed.
- For hvert trin skal du beregne minimumværdien for hoftevinkel, knævinkel, hofte kantet hastighed og knæangulær hastighed.
- For hvert trin skal du beregne hofteområdet ved at trække minimums hoftevinklen fra den maksimale hoftevinkel.
- For hvert trin, beregne knæet vifte af bevægelse ved at trække den mindste knæ vinkel fra den maksimale knæ vinkel.
- Gem de behandlede data i en bestemt mappe på computeren for at bruge dem til yderligere analyse.
6. Dataanalyse
- Importer de behandlede IMU-data i MATLAB.
- Del sprinten op i en acceleration, en tophastigheds- og decelerationsfase baseret på de trin, der identificeres af trinregistreringsalgoritmen.
BEMÆRK: Sprintfaser i denne artikel blev valgt vilkårligt. Accelerationsfasen defineres som trin 3 til 837, mens decelerationsfasen defineres som de sidste otte trin i sprinten. Tophastighedsdata blev afledt af trin, der blev udført mellem disse faser. - Vælg vinkelhastighedsdata til dataanalyse.
- Middelværdierne og standardafvigelsen for de kinematiske variabler for alle trin i hver fase af den 30 m lineære sprinttest beregnes.
- Gentag trin 6.3 og 6.4 for vinkeldataene.
Representative Results
Fem forsøgspersoner (alle mandlige; alle fodboldspillere; alder 22,5 ± 2,1 år; kropsmasse 77,0 ± 3,8 kg; højde 184,3 ± 5,2 cm; træningserfaring 15,3 ± 4,8 år) udførte en maksimal 30-m lineær sprint. Hoftevinklerne varierede mellem 100,5° (± 8°) maksimal fleksion og 183,1° (± 8°) maksimal forlængelse under acceleration, 104,1° (± 8°) maksimal fleksion og 195° (± 8°) maksimal forlængelse under tophastighed og 128,4° (± 11°) maksimal fleksion og 171,9° (± 23°) minimal fleksion under deceleration. Hofterøgenheder på mellem 744,9 °s-1 (± 154 °s-1)og -578 %s-1 (± 99 °·s-1)under acceleration, 802,6 %s-1 (± 192 %s-1)og -674,9 %s-1 (± 130 °·s-1)i topfart og 447,7 %s-1 (± 255 %s-1)og -430,3 %s-1 (± 189 °s-1)under decelerationen.
Desuden varierede knævinklerne mellem 73,5° (± 12°) maksimal fleksion og 162,6° (± 7°) minimal fleksion under acceleration, 62,8° (± 12°) maksimal fleksion og 164,8° (± 6°) minimal fleksion under tophastighed og 81,1° (± 16°) maksimal fleksion og 168,6° (± 12°) minimal fleksion under deceleration. Knæets vinkelhastighed varierede mellem 935,8 °s-1 (± 186 °·s-1)og -1137,8 %s-1 (± 214 °·s-1)under acceleration, mellem 1155,9 °s-1 (± 200 °·s-1)og -1208,2 °s-1 (± 264 °·s-1) i topfart, og 1000,1 %s-1 (± 282 °·s-1)og -1004,3 %s-1 (± 324 °·s-1). Figur 3 illustrerer kontinuerlige kinematiske data fra et forsøg med den lineære 30-m sprinttest, mens figur 4 og figur 5 illustrerer kinematiske data fra en skridtcyklus under acceleration, tophastighed og deceleration af et forsøg.
Figur 1: Repræsentation af sensorplacering. (A)Sensorplacering på højre og venstre skaft. (B) Sensorplacering på bækkenet og højre og venstre lår. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Definitioner af hofte- og knæledvinkler og vinkelhastigheder. (A)Repræsentation af den neutrale position i sagittalplanet. Fællesvinkler i neutral position er 180°. (B) Repræsentation af hofteled (θ hofte), knæled (θ knæ) og bevægelsesområde (ROM). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Visualisering af sprint kinematik af et forsøg under accelererende, tophastighed og decelererende fase. Et asterix angiver, hvornår der er fundet et trin. (A) Venstre og højre hoftefleksion og forlængervinkler over tid. (B) Venstre og højre hofte vinkel hastigheder over tid. (C) Venstre og højre knæ vinkler over tid. (D) Venstre og højre knæ vinkelhastigheder over tid. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Polarområde, hvor hofteledsvinkel (°) og vinkelhastigheder (fleksion/forlængelse) af et trin illustreres under acceleration, tophastighed og deceleration. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Polarplot, hvor knæledsvinklen (°) og vinkelhastigheder (fleksion/forlængelse) af et trin illustreres under acceleration, tophastighed og deceleration. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Nuværende metoder til at overvåge atleter i holdsport registrerer ikke kinematik med lavere ekstremitet, hvilket kan være en nyttig foranstaltning til at identificere skadesrisikofaktorer. Guldstandarden til analyse af kinematik med nedre ekstremitet under sprint er optoelektroniske målesystemer29,30,31,32. Selv om optoelektroniske målesystemer tjener som en guldstandard, mangler disse systemer økologisk gyldighed på grund af deres begrænsede måleområde. Sensoropsætningen, der præsenteres i denne artikel, overvinder begrænsningerne i de nuværende målesystemer og er relativt billig. Muligheden for at registrere kinematik i underekstremiteten i marken, målt ved sensoropsætningen, kan forbedre atletovervågningspraksis.
Tidligere undersøgelser, der undersøgte sprint kinematik29,31,37,38,39 rapporterede hoftevinkler fra 210 ° udvidelse til 90 ° fleksion. Desuden rapporterede disse undersøgelser knævinkler fra 160° minimal fleksion og 40° maksimal fleksion. De værdier, der er observeret i denne undersøgelse, ligger inden for det tidligere rapporterede interval. I en undersøgelse38 blev der rapporteret om hoftegange fra -590 °s-1 til 700 °s-1 og knæ kantede hastigheder fra -1.000 °·s-1 til 1.100 °·s-1. Selv om de værdier, der blev observeret i denne undersøgelse, var højere, viser de en lignende tendens over tid. Metoden er blevet valideret og kan bruges til atlet overvågning i feltet40.
Den nuværende undersøgelse har nogle begrænsninger, der skal løses. For det første skal brugerne, bortset fra de anvendte IME'ers karakteristika, være opmærksomme på, at de signaler, der stammer fra ING'erne, påvirkes af flere fejlkilder, som begrænser det mulige udvalg af applikationer41. For det første kan svingning af det bløde væv omkring knoglerne (dvs. artefakter af blødt væv42) påvirke registreringen af kinematik. Af denne grund er det vigtigt omhyggeligt at knytte IU'erne til emnets krop i henhold til de trin, der er beskrevet i protokollen. Selv om der blev taget de nødvendige skridt, skal det bemærkes, at den aktuelle undersøgelse ikke omfattede ekstra elastiske stropper for at forhindre fejlagtig sensorbevægelse. Dette kan forbedre resultaterne og kan ses som en begrænsning af denne undersøgelse. For det andet ændrer ferromagnetiske forstyrrelser fra andre anordninger (hovedsagelig inde i bygninger) størrelsen eller retningen af den målte magnetfeltvektor for IMU's magnetometer, hvilket forårsager fejl i den anslåede orientering43. Derfor bør kilder til ferromagnetiske forstyrrelser undgås så meget som muligt. Desuden skal det bemærkes, at sensoropsætningen ikke gælder for glidende tackler, da sensorerne løsner sig fra huden som følge af kontakt til jordoverfladen. Således bør deltagerne instrueres i ikke at udføre glidende tackler under små sidet spil. En mulig løsning på dette problem kunne være at integrere sensoropsætningen i smarte beklædningsgenstande (dvs.en Smart Sensor Tights).
De kinematiske variabler, der opnås ved sensoropsætningen, kan bruges i en segmentmodel for at overvåge atleter i marken. Tidligere forskning fundet reduceret maksimal kombineret hofte fleksion og knæ forlængelse vinkel (dvs. teoretisk forstrækning længde) efter hver halvdel af en fodboldkampsimulation 44. I samme undersøgelse er der observeret en stigning i shank kantet hastighed i enderne af hver halvdel. Den lavere forstrækning længde kombineret med en øget skaft hastighed kan indikere en øget risiko for overdreven forstrækning stamme efter træthed. Sådanne ændringer i sprintkinetik kan påvises i en feltindstilling ved hjælp af en inertiel måleenhed (IMU) drevet segmentmodel. Udover ændringer i fælles kinematik kan kræfter, der virker på kroppen som helhed, også estimeres. Jordreaktionskræfter (GRF) beskriver den biomekaniske belastning, som det samlede muskel- og skeletsystem oplever, og kan estimeres ved hjælp af Newtons anden bevægelseslov (dvs. Aktuel forskning i løb brugte GRF-estimering til at optimeresprintydelsen 45,46 eller vurdere potentiel skadesrisiko47,48,49,50. Disse undersøgelser tyder på, at belastningshastigheder, lodrette slagkrafttoppe og vandret brudkraft er relateret til skader på overforbrug i bevægeapparatet. Selv om det er en udfordring at estimere GRF præcist under meget dynamiske holdsport specifikke bevægelser51,52, muligheden for at overvåge disse variabler under målinger på området kunne give nye oplysninger for at optimere ydeevnen, eller for at forhindre skader.
Resultaterne i dette papir er begrænset til overvågning af kinematik med lavere ekstremitet under en lineær sprint med fokus på forstrækningsstammeskademekanisme. Det skal dog bemærkes, at hofte- og lyskeskader også forekommer ofte i holdsport14,17,53,54,55. Disse skader er sandsynligvis forårsaget af gentagne inddragelse af spark og retningsændring. Således bør fremtidig forskning ikke kun begrænse deres fokus på sprint i forhold til forstrækning stamme skade mekanisme, men også fokusere på at udvide viden om ændring af retning opgaver56 og sparker57,58,59 i forhold til hofte og lyske skader.
Afslutningsvis kan denne sensoropsætning integreres i smarte beklædningsgenstande. Smart beklædningsgenstande kan gøre det muligt at registrere lavere ekstremitet kinematik i marken under holdsport specifikke opgaver, som kan forbedre overvågning atleter i fremtiden. Dette kan hjælpe fagfolk i en daglig sport indstilling til at evaluere deres træningsprogrammer og optimere dem, der sigter mod at reducere risikoen for personskader.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne heldigvis anerkende de finansieringskilder, som den nederlandske nationale forskningsorganisation (NWO) stiller til rådighed. Desuden vil forfatterne gerne heldigvis anerkende det nederlandske royale fodboldforbund (KNVB) for at lette forskningsprogrammet ved at give adgang til deres forskningsfaciliteter. Endelig vil forfatterne gerne takke Thijs Wiggers for hans bidrag til forskningsprogrammet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Computer software | The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA | Matlab Version 2018b | |
| Cones | Nike | n = 4 | |
| Double-sided adhesive tape | For attaching IMUs on the skin | ||
| Inertial Measurement Units | MPU-9150, Invensense, San Jose, California, United States | n = 5; Dimensions: 3.5 x 2.5 x 1.0 cm; Weight: 0,011 kg; Sample frequency: 500Hz; Accelerometer: ± 16 G, Gyroscope: ± 2000 °/s | |
| Measuring tape | Minimal length: 30 meters | ||
| Pre-tape spray | Mueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., Wisconsin, United States | Contents: 283 g | |
| Stretch Tape | Fixomull, BSN Medical, Almere, The Netherlands |
References
- Bradley, P. S., et al. High-intensity running in English FA Premier League soccer matches. Journal of Sports Sciences. 27 (2), 159-168 (2009).
- Di Salvo, V., et al. Performance characteristics according to playing position in elite soccer. International Journal of Sports Medicine. 28 (3), 222-227 (2007).
- Mohr, M., Krustrup, P., Bangsbo, J. Match performance of high-standard soccer players with special reference to development of fatigue. Journal of Sports Sciences. 21 (7), 519-528 (2003).
- Rampinini, E., Coutts, A. J., Castagna, C., Sassi, R., Impellizzeri, F. M. Variation in top level soccer match performance. International Journal of Sports Medicine. 28 (12), 1018-1024 (2007).
- McGuinness, A., Malone, S., Hughes, B., Collins, K., Passmore, D. Physical Activity and Physiological Profiles of Elite International Female Field Hockey Players Across the Quarters of Competitive Match Play. Journal of Strength and Conditioning Research. 33 (9), 2513-2522 (2019).
- Ihsan, M., et al. Running Demands and Activity Profile of the New Four-Quarter Match Format in Men's Field Hockey. Journal of Strength and Conditioning Research. , (2018).
- Wallace, J. L., Norton, K. I. Evolution of World Cup soccer final games 1966-2010: game structure, speed and play patterns. Journal of Science and Medicine in Sport. 17 (2), 223-228 (2014).
- Barnes, C., Archer, D. T., Hogg, B., Bush, M., Bradley, P. S. The Evolution of Physical and Technical Performance Parameters in the English Premier League. International Journal of Sports Medicine. 35 (13), 1095-1100 (2014).
- Smith, D. J. A framework for understanding the training process leading to elite performance. Sports Medicine. 33 (15), 1103-1126 (2003).
- Soligard, T., et al. How much is too much? (Part 1) International Olympic Committee consensus statement on load in sport and risk of injury. British Journal of Sports Medicine. 50 (17), 1030-1041 (2016).
- Jaspers, A., Brink, M. S., Probst, S. G. M., Frencken, W. G. P., Helsen, W. F. Relationships Between Training Load Indicators and Training Outcomes in Professional Soccer. Sports Medicine. 47 (3), 533-544 (2017).
- van der Horst, N., Smits, D. W., Petersen, J., Goedhart, E. A., Backx, F. J. The preventive effect of the nordic hamstring exercise on hamstring injuries in amateur soccer players: a randomized controlled trial. American Journal of Sports Medicine. 43 (6), 1316-1323 (2015).
- van de Hoef, P. A., et al. Does a bounding exercise program prevent hamstring injuries in adult male soccer players? - A cluster-RCT. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 29 (4), 515-523 (2019).
- Ekstrand, J., Hagglund, M., Walden, M. Epidemiology of muscle injuries in professional football (soccer). American Journal of Sports Medicine. 39 (6), 1226-1232 (2011).
- Woods, C., et al. The Football Association Medical Research Programme: an audit of injuries in professional football - analysis of hamstring injuries. British Journal of Sports Medicine. 38 (1), 36-41 (2004).
- Barboza, S. D., Joseph, C., Nauta, J., van Mechelen, W., Verhagen, E. Injuries in Field Hockey Players: A Systematic Review. Sports Medicine. 48 (4), 849-866 (2018).
- Delfino Barboza, S., Nauta, J., van der Pols, M. J., van Mechelen, W., Verhagen, E. A. L. M. Injuries in Dutch elite field hockey players: A prospective cohort study. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 28 (6), 1708-1714 (2018).
- Jones, A., et al. Epidemiology of injury in English Professional Football players: A cohort study. Physical Therapy in Sport. 35, 18-22 (2019).
- Ekstrand, J., Walden, M., Hagglund, M. Hamstring injuries have increased by 4% annually in men's professional football, since 2001: a 13-year longitudinal analysis of the UEFA Elite Club injury study. British Journal of Sports Medicine. 50 (12), 731-737 (2016).
- Thorborg, K., et al. Effect of specific exercise-based football injury prevention programmes on the overall injury rate in football: a systematic review and meta-analysis of the FIFA 11 and 11+ programmes. British Journal of Sports Medicine. 51 (7), 562-571 (2017).
- Shield, A. J., Bourne, M. N. Hamstring Injury Prevention Practices in Elite Sport: Evidence for Eccentric Strength vs. Lumbo-Pelvic Training. Sports Medicine. 48 (3), 513-524 (2018).
- Ekstrand, J. Keeping your top players on the pitch: the key to football medicine at a professional level. British Journal of Sports Medicine. 47 (12), 723-724 (2013).
- Hagglund, M., et al. Injuries affect team performance negatively in professional football: an 11-year follow-up of the UEFA Champions League injury study. British Journal of Sports Medicine. 47 (12), 738-742 (2013).
- Akenhead, R., Nassis, G. P. Training Load and Player Monitoring in High-Level Football: Current Practice and Perceptions. International Journal of Sports Physiology and Performance. 11 (5), 587-593 (2016).
- Vanrenterghem, J., Nedergaard, N. J., Robinson, M. A., Drust, B. Training Load Monitoring in Team Sports: A Novel Framework Separating Physiological and Biomechanical Load-Adaptation Pathways. Sports Medicine. 47 (11), 2135-2142 (2017).
- Boyd, L. J., Ball, K., Aughey, R. J. The reliability of MinimaxX accelerometers for measuring physical activity in Australian football. International Journal of Sports Physiology and Performance. 6 (3), 311-321 (2011).
- Barrett, S., Midgley, A., Lovell, R. PlayerLoad: reliability, convergent validity, and influence of unit position during treadmill running. International Journal of Sports Physiology and Performance. 9 (6), 945-952 (2014).
- Ehrmann, F. E., Duncan, C. S., Sindhusake, D., Franzsen, W. N., Greene, D. A. GPS and Injury Prevention in Professional Soccer. Journal of Strength and Conditioning Research. 30 (2), 360-367 (2016).
- Chumanov, E. S., Heiderscheit, B. C., Thelen, D. G. The effect of speed and influence of individual muscles on hamstring mechanics during the swing phase of sprinting. Journal of Biomechanics. 40 (16), 3555-3562 (2007).
- Heiderscheit, B. C., et al. Identifying the time of occurrence of a hamstring strain injury during treadmill running: a case study. Clinical Biomechanics. 20 (10), 1072-1078 (2005).
- Thelen, D. G., et al. Hamstring muscle kinematics during treadmill sprinting. Medicine & Science in Sports & Exercise. 37 (1), 108-114 (2005).
- Schache, A. G., Wrigley, T. V., Baker, R., Pandy, M. G. Biomechanical response to hamstring muscle strain injury. Gait & Posture. 29 (2), 332-338 (2009).
- Roetenberg, D., Luinge, H., Slycke, P. Xsens MVN: Full 6DOF human motion tracking using miniature inertial sensors. Xsens Motion Technologies B.V. Enschede. , 1-7 (2009).
- Roetenberg, D., Slycke, P. J., Veltink, P. H. Ambulatory position and orientation tracking fusing magnetic and inertial sensing. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54 (5), 883-890 (2007).
- Madgwick, S. O., Harrison, A. J., Vaidyanathan, A. Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm. Proceedings of IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. , Zurich, Switzerland. (2011).
- Diebel, J. Representing Attitude: Euler Angles, Unit Quaternions, and Rotation Vectors. Matrix. 58 (15-16), 1-35 (2006).
- Struzik, A., et al. Relationship between Lower Limb Angular Kinematic Variables and the Effectiveness of Sprinting during the Acceleration Phase. Applied Bionics and Biomechanics. 2016, 9 (2016).
- Struzik, A., et al. Relationship between lower limbs kinematic variables and effectiveness of sprint during maximum velocity phase. Acta of Bioengineering and Biomechanics. 17 (4), 131-138 (2015).
- Higashihara, A., Nagano, Y., Ono, T., Fukubayashi, T. Differences in hamstring activation characteristics between the acceleration and maximum-speed phases of sprinting. Journal of Sports Sciences. 36 (12), 1313-1318 (2018).
- Wilmes, E., et al. Inertial Sensor-Based Motion Tracking in Football with Movement Intensity Quantification. Sensors (Basel). 20 (9), (2020).
- Camomilla, V., Bergamini, E., Fantozzi, S., Vannozzi, G. Trends Supporting the In-Field Use of Wearable Inertial Sensors for Sport Performance Evaluation: A Systematic Review. Sensors. 18 (3), 873 (2018).
- Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
- Robert-Lachaine, X., Mecheri, H., Larue, C., Plamondon, A. Effect of local magnetic field disturbances on inertial measurement units accuracy. Applied Ergonomics. 63, 123-132 (2017).
- Small, K., McNaughton, L. R., Greig, M., Lohkamp, M., Lovell, R. Soccer fatigue, sprinting and hamstring injury risk. International Journal of Sports Medicine. 30 (8), 573-578 (2009).
- Wdowski, M. M., Gittoes, M. J. R. First-stance phase force contributions to acceleration sprint performance in semi-professional soccer players. European Journal of Sport Science. , 1-23 (2019).
- Bezodis, N. E., North, J. S., Razavet, J. L. Alterations to the orientation of the ground reaction force vector affect sprint acceleration performance in team sports athletes. Journal of Sports Sciences. 35 (18), 1-8 (2017).
- Hreljac, A. Impact and overuse injuries in runners. Medicine & Science in Sports & Exercise. 36 (5), 845-849 (2004).
- Willy, R. W. R. In-field gait retraining and mobile monitoring to address running biomechanics associated with tibial stress fracture. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 26 (2), 197-205 (2016).
- van der Worp, H., Vrielink, J. W., Bredeweg, S. W. Do runners who suffer injuries have higher vertical ground reaction forces than those who remain injury-free? A systematic review and meta-analysis. British Journal of Sports Medicine. 50 (8), 450-457 (2016).
- Napier, C. C. Kinetic risk factors of running-related injuries in female recreational runners. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 28 (10), 2164-2172 (2018).
- Wundersitz, D. W., Netto, K. J., Aisbett, B., Gastin, P. B. Validity of an upper-body-mounted accelerometer to measure peak vertical and resultant force during running and change-of-direction tasks. Sports Biomechanics. 12 (4), 403-412 (2013).
- Nedergaard, N. J., et al. The Relationship Between Whole-Body External Loading and Body-Worn Accelerometry During Team-Sport Movements. International Journal of Sports Physiology and Performance. 12 (1), 18-26 (2017).
- Lundgardh, F., Svensson, K., Alricsson, M. Epidemiology of hip and groin injuries in Swedish male first football league. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. , 1-8 (2019).
- Werner, J., Hagglund, M., Ekstrand, J., Walden, M. Hip and groin time-loss injuries decreased slightly but injury burden remained constant in men's professional football: the 15-year prospective UEFA Elite Club Injury Study. British Journal of Sports Medicine. 53 (9), 539-546 (2019).
- Werner, J., Hagglund, M., Walden, M., Ekstrand, J. UEFA injury study: a prospective study of hip and groin injuries in professional football over seven consecutive seasons. British Journal of Sports Medicine. 43 (13), 1036-1040 (2009).
- Havens, K. L., Sigward, S. M. Whole body mechanics differ among running and cutting maneuvers in skilled athletes. Gait & Posture. 42 (3), 240-245 (2015).
- Charnock, B. L., Lewis, C. L., Garrett, W. E., Queen, R. M. Adductor longus mechanics during the maximal effort soccer kick. Sports Biomechanics. 8 (3), 223-234 (2009).
- Nunome, H., Inoue, K., Watanabe, K., Iga, T., Akima, H. Dynamics of submaximal effort soccer instep kicking. Journal of Sports Sciences. 36 (22), 2588-2595 (2018).
- Kellis, E., Katis, A., Vrabas, I. S. Effects of an intermittent exercise fatigue protocol on biomechanics of soccer kick performance. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 16 (5), 334-344 (2006).
