Articolo metodologico

Un metodo basato su unità di misurazione inerziale per stimare la cinematica articolare dell'anca e del ginocchio negli atleti di Team Sport sul campo

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DOI:

10.3791/60857

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26 maggio 2020

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1Center for Human Movement Sciences, University Medical Center, University of Groningen, 2Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioural and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, 3Emerging Materials, Department of Design Engineering, Delft University of Technology, 4Department of Biomechanical Engineering, Delft University of Technology, 5FIFA Medical Center, Royal Netherlands Football Association, 6Royal Dutch Hockey Association

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

Il monitoraggio degli atleti è essenziale per migliorare le prestazioni e ridurre il rischio di infortuni negli sport di squadra. I metodi attuali per monitorare gli atleti non includono gli arti inferiori. Attaccare più unità di misurazione inerziale agli arti inferiori potrebbe migliorare il monitoraggio degli atleti sul campo.

Abstract

L'attuale pratica di monitoraggio degli atleti negli sport di squadra si basa principalmente su dati posizionali misurati dal posizionamento globale o dai sistemi di posizionamento locali. Lo svantaggio di questi sistemi di misurazione è che non registrano la cinematica degli arti inferiori, il che potrebbe essere una misura utile per identificare i fattori di rischio di lesioni. Il rapido sviluppo della tecnologia dei sensori può superare i limiti degli attuali sistemi di misurazione. Con unità di misura inerziali (IMI) fissate saldamente ai segmenti corporei, algoritmi di fusione dei sensori e un modello biomeccanico, si potrebbe stimare la cinematica articolare. Lo scopo principale di questo articolo è dimostrare una configurazione del sensore per stimare la cinematica articolare dell'anca e del ginocchio degli atleti di sport di squadra sul campo. Cinque soggetti maschi (età 22,5 ± 2,1 anni; massa corporea 77,0 ± 3,8 kg; altezza 184,3 ± 5,2 cm; esperienza di allenamento 15,3 ± 4,8 anni) hanno eseguito uno sprint lineare massimo di 30 metri. Angoli articolari dell'anca e del ginocchio e velocità angolari sono stati ottenuti da cinque IMI posti sul bacino, sia cosce che entrambi i gambo. Gli angoli dell'anca variavano da 195 ° (± 8 °) di estensione a 100,5 ° (± 8 °) flessione e gli angoli del ginocchio variavano da flessione minima di 168,6 ° (± 12 °) e flessione massima di 62,8 ° (± 12 °). Inoltre, la velocità angolare dell'anca variava tra 802,6 °s-1 (± 192 °·s-1)e -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1). La velocità angolare del ginocchio variava tra 1155,9 °s-1 (± 200 °·s-1) e -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1). La configurazione del sensore è stata convalidata e potrebbe fornire ulteriori informazioni per quanto riguarda il monitoraggio degli atleti sul campo. Ciò può aiutare i professionisti in un ambiente sportivo quotidiano a valutare i loro programmi di allenamento, con l'obiettivo di ridurre gli infortuni e ottimizzare le prestazioni.

Introduzione

Gli sport di squadra (ad esempio, calcio e hockey su prato) sono caratterizzati da brevi azioni esplosive alternate come la corsa ad alta intensità o lo sprint, con periodi più lunghi di attività meno impegnative come camminare o fare jogging1,2,3,4,5,6. Negli ultimi decenni, le esigenze fisiche del gioco si sono evolute con più distanza percorsa ad alta velocità e sprint, velocità della palla più veloci e più passaggi7,8.

Gli atleti si allenano costantemente duramente per mantenere e migliorare la loro capacità fisica di resistere alle esigenze fisiche del gioco. La corretta applicazione di uno stimolo di allenamento in combinazione con un recupero sufficiente induce risposte che portano all'adattamento del corpo umano, migliorando la forma fisica e le prestazioni9. Al contrario, uno squilibrio tra uno stimolo di allenamento e un recupero può portare a stanchezza prolungata e una risposta di allenamento indesiderabile (maladaptation), che aumenta il rischio di lesioni sia negli atleti professionisti che amatoriali di sport di squadra10,11,12,13.

Uno dei principali rischi accompagnati da un alto allenamento e stimoli di corrispondenza sono le lesioni da sforzo muscolare. Gli infortuni da sforzo muscolare costituiscono più di un terzo di tutti gli infortuni di tutti i tempi negli sport di squadra e causano più di un quarto dell'assenza totale di infortunio, con i tendini del ginocchioche sono i più frequentemente coinvolti 14,15,16,17. Inoltre, il numero di atleti che subiscono un infortunio allo sforzo del tendine del ginocchio aumentaogni anno 18,19, nonostante siano stati introdotti più programmi per prevenire lesioni da affaticamento deltendine del ginocchio 12,13,20,21. Di conseguenza, ciò ha un'influenza negativa dalle prospettive sportive22 e finanziarie 23. Pertanto, un monitoraggio adeguato dei singoli atleti è essenziale per ottimizzare gli orari di allenamento, ridurre al minimo il rischio di infortuni e ottimizzare le prestazioni.

L'attuale pratica di monitoraggio degli atleti negli sport di squadra si basa principalmente sui dati di posizione misurati dai sistemi diposizionamento locali o globali 24,25. Questi sistemi monitorano l'attività con metriche basate su GPS come la distanza percorsa, la velocità media di corsa o le metriche basate sull'accelerometria come PlayerLoad26,27,28. Uno svantaggio di queste misure è che non includono la cinematica degli arti inferiori. I sistemi di misurazione optoelettronica fungono da gold standard per eseguire un'analisi cinematica degli arti inferiori durante uno sprint lineare29,30,31,32. Gli svantaggi di questi sistemi sono la mancanza di validità ecologica a causa della loro area di misurazione limitata, la necessità di un esperto di utilizzare il sistema e la lunga analisi dei dati. Pertanto, questo metodo non è adatto per la pratica sportiva quotidiana.

Il rapido sviluppo della tecnologia dei sensori può superare i limiti dei metodi attuali per monitorare gli atleti. Le recenti possibilità di affidabilità, miniaturizzazione e memorizzazione dei dati delle unità di misura inerziali (IMU) consentono l'applicazione sul campo della tecnologia dei sensori. Le IMI contengono accelerometro, giroscopio e magnetometro che misurano l'accelerazione, la velocità angolare e il campo magnetico, in tre assi ortogonalirispettivamente 33,34. Con sensori fissati in modo sicuro ai segmenti del corpo, algoritmi di fusione dei sensori e un modello biomeccanico, è possibile stimare la cinematica articolare33. La registrazione della cinematica articolare in combinazione con le informazioni sull'accelerazione di diversi segmenti del corpo può migliorare il monitoraggio degli atleti negli sport di squadra.

Accoppiando la configurazione del sensore IMU a un test di campo standardizzato, si può illustrare come la cinematica degli arti inferiori viene registrata durante lo sprint lineare sul campo, che potrebbe essere una misura utile per identificare i fattori di rischio di lesione. La configurazione del sensore potrebbe fornire informazioni aggiuntive alle attuali misure di monitoraggio che i professionisti possono utilizzare per ottimizzare i programmi di allenamento per migliorare le prestazioni e ridurre al minimo il rischio di lesioni. Pertanto, lo scopo principale di questo articolo è dimostrare una configurazione del sensore inerziale per stimare la cinematica dell'anca e dell'articolazione del ginocchio degli atleti di sport di squadra sul campo.

Protocollo

Tutti i metodi descritti in questa sezione sono stati approvati dal comitato etico del Centro per le Scienze del Movimento Umano dell'Università di Groningen (Numero di registro: 201800904).

1. Prova sul campo e preparazione dell'unità di misura inerziale

  1. Impostare due coni ad almeno 1 m l'uno dall'altro per determinare l'inizio del test sul campo.
    NOTA: La distanza di 1 m tra i coni consente al soggetto di correre facilmente attraverso il punto di partenza della prova sul campo. Questa distanza può essere regolata in base alla preferenza del test leader.
  2. Determinare il punto finale della prova sul campo rotolando il nastro di misura dal punto di partenza della prova fino a quando non è stata percorsa una distanza lineare di 30 m.
  3. Impostare due coni ad almeno 1 m l'uno dall'altro per determinare il punto finale della prova sul campo.
  4. Preparare le IMI per affezionarsi correttamente al corpo del soggetto.
    NOTA: Vedi Tabella dei materiali per le dimensioni dell'IMU e le caratteristiche di peso.
    1. Tagliare il nastro elasticizzato in 5 pezzi delle dimensioni di 10 cm x 10 cm.
    2. Tagliare il nastro adesivo a doppia parte (ad esempio, nastro toupee) in 5 pezzi uguali alle dimensioni delle IMI utilizzate.
    3. Attaccare un pezzo di nastro adesivo a doppia parte a ogni IMU.
    4. Etichettare ogni IMU, in modo che possa essere riconosciuta individualmente durante l'analisi dei dati.

2. Preparazione del soggetto

  1. Ottenere informazioni sul sesso, l'età, il peso corporeo e l'altezza del soggetto. Chiedi all'argomento di compilare un questionario sul loro background negli sport di squadra. Ottenere il consenso informato scritto da soggetti che soddisfano i criteri di inclusione.
    NOTA: Esempi di domande: (i) Per quanti anni giochi a calcio? (ii) A che livello giochi a calcio? (iii) Quante ore alla settimana hai allenamento di calcio negli ultimi 6 mesi? (iv) Qual è la tua posizione di gioco? (v) Hai avuto dolore o hai subito una lesione muscoloscheletricha agli arti inferiori negli ultimi 6 mesi?
  2. Determinare se l'oggetto soddisfa i criteri di inclusione.
    NOTA: Includere i soggetti quando non hanno avuto lesioni muscoloscheletriche o dolore agli arti inferiori nei 6 mesi prima dell'esecuzione del protocollo; I soggetti dovrebbero avere più di 1 anno di esperienza nella competizione di sport di squadra a livello amatoriale.
  3. Chiedi al soggetto di passare all'abbigliamento sportivo (ad esempio, una maglia da calcio, pantaloncini da calcio e scarpe da calcio).
    NOTA: Poiché i sensori verranno posizionati sulla tibia, i calzini da calcio sono indesiderati.
  4. Preparare le IMI per il collegamento al corpo del soggetto.
    1. Allineare tutte e 5 le IMI l'una accanto all'altra.
    2. Attiva tutte e cinque le IMI contemporaneamente premendo un pulsante sopra il sensore. Il sensore si attiva quando una luce verde lampeggia.
      NOTA: Da questo momento, ogni IMU campiona i dati a 500 Hz. I dati vengono memorizzati internamente su una scheda SD. I dati devono essere caricati su un laptop o un computer dopo il completamento del test.
    3. Assicurarsi che un picco meccanico sia stato generato toccando tutte le IME su una superficie dura contemporaneamente (ad esempio, su un tavolo).
      NOTA: Il picco meccanico è necessario per sincronizzare i segnali IMU. La sincronizzazione dei segnali IMU viene eseguita durante l'elaborazione dei dati (sezione 5). Questa sezione non è necessaria quando vengono utilizzati sensori disponibili in commercio. In tal caso, utilizzare il software corrispondente per sincronizzare i sensori.
  5. Allegare le IMI al corpo del soggetto (Figura 1).
    1. Radere i peli del corpo del soggetto nelle seguenti posizioni anatomiche: nell'osso sacro tra entrambe le spine iliache superiori posteriori, la parte ossea anteromediale della tibia destra e sinistra e la parte laterale della coscia destra e sinistra (cioè tractus illiotibialis).
      NOTA: Le posizioni anatomiche in cui devono essere posizionati i sensori possono essere determinate dalla palpazione.
    2. Spruzzare spray adesivo sulle posizioni anatomiche descritte al passaggio 2.5.1. Attendere 5−10 s per assicurarsi che lo spray adesivo sia asciutto.
      NOTA: Tenere lo spray ad almeno 10 cm (4 pollici) di distanza dalla pelle e spruzzare l'area desiderata con un movimento di spazzamento.
    3. Rimuovere lo strato protettivo del nastro adesivo a doppia aspetto dalle IMI.
    4. Posizionare l'IMU nelle posizioni anatomiche descritte. Annotare la posizione anatomica con l'etichetta corrispondente dell'IMU (ad esempio, gambo destro: IMU 1).
    5. Collegare il nastro di stiramento sopra ogni IMU per assicurarsi che il sensore sia ulteriormente fissato alla pelle.

3. Calibrazione del sensore IMU

  1. Istruisi il soggetto a stare fermo in una posizione neutra con i piedi di larghezza dell'anca separati e le mani al fianco. Mantenere questa posizione per un periodo minimo di 5 s.
  2. Istruisi il soggetto a flettere l'anca sinistra e il ginocchio con un angolo di 90 ° nel piano sagittale seguito dall'estensione dell'anca alla loro posizione neutra come descritto nel passaggio 3.1.
    NOTA: Per le definizioni delle variabili cinematiche, vedere figura 2.
  3. Ripetere il passaggio 3.2 per l'anca destra e il ginocchio.
  4. Istruisi il partecipante a flettere il tronco verso terra e a tornare alla sua posizione neutra.
  5. Attendere un periodo minimo di 5 s.
  6. Ripetere i passaggi 3.1−3.5 una volta.

4. Eseguire il test di sprint lineare di 30 m

  1. Istruisi il soggetto a eseguire un riscaldamento (ad esempio, il programma specifico per il calcio FIFA 11+ warming up20).
  2. Informare l'oggetto sul protocollo di test.
    1. Affermare chiaramente che il rischio di subire una lesione durante la prova non è superiore a quello durante il normale allenamento e che il soggetto può interrompere la prova in qualsiasi momento, senza fornire alcuna motivazione.
    2. Istruisi il soggetto a stare nella giusta posizione di partenza, con il piede preferito in piedi sulla linea di partenza e le spalle dietro la linea di partenza sul campo.
    3. Istruisci il soggetto che il test leader conterà da 3 a 0 seguito da "Start". Indicare che quando è stato chiamato 'Start', inizia il test.
    4. Informare il soggetto di sprint il più velocemente possibile fino al punto finale di 30 m. Una volta raggiunto il punto di arrivo di 30 m, il soggetto deve rallentare il più rapidamente possibile fino a raggiungere una posizione di standstill.
    5. Consentire all'oggetto di porre domande. Se necessario, consentire all'oggetto di eseguire un'esecuzione pratica per familiarizzare l'oggetto con il protocollo.
  3. Chiedi all'argomento se le istruzioni erano chiare.
  4. Assicurarsi che il soggetto si trova nella posizione iniziale corretta.
  5. Conta da '3' a '0' e grida 'Inizia' per iniziare il test. Avviare il timer quando è stato assegnato il segno di avvio.
  6. Incoraggiare il soggetto al fine di ottenere prestazioni massime.
  7. Interrompere il timer quando il partecipante ha raggiunto la posizione di standstill.
  8. Ripetere i passaggi 4.4−4.6 fino a quando non sono stati eseguiti tre sprint.
    NOTA: Lasciare riposare i partecipanti per almeno 2 minuti tra una prova e l'altro. Includi lo sprint più veloce per l'analisi dei dati.
  9. Indicare al soggetto di eseguire un raffreddamento.
  10. Staccare le IMI dal soggetto rimuovendo il nastro elasticizzato e il nastro adesivo a doppia parte dal corpo del soggetto.

5. Trattamento dei dati

  1. Collegare l'IMU con un computer utilizzando un cavo USB. Esportare i dati IMU non elaborati in una cartella specifica del computer.
  2. Aprire MATLAB (versione r2018b). Importare i file di dati IMU grezzi (ad esempio, accelerometro, giroscopio e dati magnetometrici).
  3. Sincronizzare i file di dati IMU non elaborati.
    1. Importare il file dei dati di accelerazione di un sensore (ad esempio, sensore del bacino).
    2. Calcola jerk differenziando i segnali di accelerazione X, Y e Z. Riassumo lo scatto X, Y e Z per ottenere lo totale.
    3. Ottenere il picco meccanico trovando il valore di indice nel file di dati in cui lo scatto totale ha raggiunto il suo valore massimo. Il valore dell'indice è l'inizio della misurazione.
    4. Eliminare tutti i punti dati dei dati di accelerazione, dei dati del magnetometro e dei dati del giroscopio prima del valore di indice del sensore.
    5. Ripetere i passaggi 5.3.1−5.3.3 per ogni file di dati grezzi del sensore corrispondente.
    6. Determinare quale sensore contiene la quantità più bassa di punti dati ottenendo il numero di punti dati campionati per ogni file di dati.
    7. Tagliare tutti gli altri file di dati uguali alle dimensioni del sensore che ha registrato i segnali per il periodo di tempo più breve.
  4. Filtra i dati del giroscopio utilizzando un filtro Butterworth passa-basso di secondo ordine con una frequenza di taglio di 12 Hz.
    NOTA: Il filtro e la particolare frequenza di taglio sono stati scelti in base all'ispezione dei dati visivi in precedenti esperimenti pilota.
  5. Ottenere l'orientamento del sensore rispetto al telaio terrestre globale calcolando il quaternione di orientamento del sensore utilizzando un filtro Madgwick35.
    NOTA: Un'ampia descrizione di come viene calcolato l'orientamento del sensore rispetto al telaio terrestre globale è descritta in Madgwick etal.
  6. Allineare il fotogramma delle coordinate del sensore al segmento del corpo.
    1. Selezionare i numeri di indice del file di dati quando il soggetto era fermo durante la calibrazione (passaggio 3.1).
      NOTA: Si presume che l'asse longitudinale del sensore sia simile al vettore gravitazionale.
    2. Utilizzare i numeri di indice del passaggio 5.6.1 per calcolare l'orientamento medio di ciascun sensore rispetto al fotogramma di riferimento globale durante la calibrazione statica. Quindi ruotare il telaio del sensore di ogni sensore, in modo che si allinei al fotogramma di riferimento globale durante la calibrazione statica.
    3. Selezionare i numeri di indice del file di dati quando è stato eseguito il movimento di calibrazione della gamba sinistra (passaggio 3.2).
    4. Ruotare l'orientamento dei sensori della gamba sinistra in modo tale che il movimento di calibrazione sia una rotazione solo intorno all'asse frontale.
    5. Ripetere i passaggi 5.6.3 e 5.6.4 per i movimenti di taratura della gamba destra e del tronco.
  7. Ottenere orientamenti di giunto esprimendo l'orientamento del segmento del corpo distale nel quadro di coordinate del segmento prossimale per ogni giunto.
  8. Ottenere angoli di giunto scomponendo gli orientamenti delle articolazioni ottenuti in angoli di Eulero 'XZY'.
    NOTA: Come scomporre gli orientamenti articolari ottenuti in angoli di Eulero "XZY" è descritto nel lavoro di Diebel36.
  9. Ottenere velocità angolari congiunte che esprimono i segnali giroscopici di ogni segmento distale nel sistema di coordinate del corrispondente segmento prossimale meno la velocità angolare del segmento prossimale.
  10. Identificare ogni passaggio durante lo sprint lineare utilizzando un algoritmo di rilevamento dei gradini.
    1. Importare i dati del giroscopio filtrato in MATLAB.
    2. Utilizzare una funzione di rilevamento dei picchi per identificare i picchi nel segnale giroscopico.
      NOTA: l'altezza del picco è stata fissata a 286,5 °s-1 e la distanza minima di picco è stata fissata a 100 campioni (= 0,2 s).
  11. Per ogni passaggio, calcolare il valore massimo per l'angolo dell'anca, l'angolo del ginocchio, la velocità angolare dell'anca e la velocità angolare del ginocchio.
  12. Per ogni passaggio, calcolare il valore minimo per l'angolo dell'anca, l'angolo del ginocchio, la velocità angolare dell'anca e la velocità angolare del ginocchio.
  13. Per ogni passaggio, calcola l'intervallo di movimento dell'anca sottraendo l'angolo minimo dell'anca dall'angolo massimo dell'anca.
  14. Per ogni passaggio, calcolare l'intervallo di movimento del ginocchio sottraendo l'angolo minimo del ginocchio dall'angolo massimo del ginocchio.
  15. Salvare i dati elaborati in una cartella specifica del computer al fine di utilizzarli per ulteriori analisi.

6. Analisi dei dati

  1. Importare i dati IMU elaborati in MATLAB.
  2. Dividi lo sprint in un'accelerazione, una fase di velocità massima e decelerazione in base ai passaggi identificati dall'algoritmo di rilevamento dei passaggi.
    NOTA: le fasi sprint in questo articolo sono state scelte arbitrariamente. La fase di accelerazione è definita come il passaggio da 3 a8 37, mentre la fase di decelerazione è definita come gli ultimi otto passaggi dello sprint. I dati sulla velocità massima sono stati derivati dai passaggi eseguiti tra queste fasi.
  3. Selezionare i dati sulla velocità angolare per l'analisi dei dati.
  4. Calcolare i valori medi e la deviazione standard delle variabili cinematiche di tutti i passaggi durante ogni fase della prova di sprint lineare di 30 m.
  5. Ripetere i passaggio 6.3 e 6.4 per i dati dell'angolo.

Risultati

Cinque soggetti (tutti maschi; tutti calciatori; 22,5 ± 2,1 anni; massa corporea 77,0 ± 3,8 kg; altezza 184,3 ± 5,2 cm; esperienza di allenamento 15,3 ± 4,8 anni) hanno eseguito uno sprint lineare massimo di 30 m. Gli angoli dell'anca variavano tra la flessione massima di 100,5° (± 8°) e l'estensione massima di 183,1° (± 8°) durante l'accelerazione, Flessione massima di 104,1° (± 8°) e estensione massima di 195° (± 8°) durante la velocità massima e flessione massima di 128,4° (± 11°) e flessione minima di 171,9° (± 23°) durante la decelerazione. Le velocità angolari dell'anca variavano tra 744,9 °s-1 (± 154 °·s-1)e –578 °·s-1 (± 99 °s-1)durante l'accelerazione, 802,6 °s-1 (± 192 °s-1)e -674,9 °s-1 (± 130 °s-1)durante la velocità massima, e 447,7 °s-1 (± 255 °s-1)e -430,3 °s-1 (± 189 °s-1)durante la decelerazione.

Inoltre, gli angoli del ginocchio variavano tra la flessione massima di 73,5 ° (± 12 °) e la flessione minima di 162,6 ° (± 7 °) durante l'accelerazione, Flessione massima di 62,8° (± 12°) e flessione minima di 164,8° (± 6°) durante la velocità massima e flessione massima di 81,1° (± 16°) e flessione minima di 168,6° (± 12°) durante la decelerazione. La velocità angolare del ginocchio variava tra 935,8 °s-1 (± 186 °s-1)e -1137,8 °·s-1 (± 214 °·s-1)durante l'accelerazione, tra 1155,9 °s-1 (± 200 °·s-1)e -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1)durante la velocità massima, e 1000,1 °s-1 (± 282 °s-1)e -1004,3 °s-1 (± 324 °·s-1). La figura 3 illustra i dati cinematici continui di una prova della prova di sprint lineare di 30 m, mentre la figura 4 e la figura 5 illustrano i dati cinematici di un ciclo di passo durante l'accelerazione, la velocità massima e la decelerazione di una prova.

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Figura 1: Rappresentazione del posizionamento del sensore. (A) Posizionamento del sensore sul gambo destro e sinistro. (B) Posizionamento del sensore sul bacino e sulla coscia destra e sinistra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Definizioni per angoli articolari dell'anca e del ginocchio e velocità angolari. (A) Rappresentazione della posizione neutra nel piano sagittale. Gli angoli del giunto in posizione neutra sono di 180°. (B) Rappresentazione dell'articolazione dell'anca (θ hip), dell'articolazione del ginocchio (ginocchio θ) e della gamma di movimento (ROM). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Visualizzazione della cinematica sprint di una prova durante l'accelerazione, la velocità massima e la fase di decelerazione. Un asterix indica quando è stato rilevato un passaggio. (A) Flessione dell'anca sinistra e destra e angoli di estensione nel tempo. (B) Velocità angolari dell'anca sinistra e destra nel tempo. (C) Angoli del ginocchio sinistro e destro nel tempo. (D) Velocità angolari del ginocchio sinistro e destro nel tempo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Grafico polare in cui l'angolo del giunto dell'anca (°) e le velocità angolari (flessione/estensione) di un passo sono illustrati durante l'accelerazione, la velocità massima e la decelerazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 5: Grafico polare in cui l'angolo dell'articolazione del ginocchio (°) e le velocità angolari (flessione/estensione) di un passo sono illustrati durante l'accelerazione, la velocità massima e la decelerazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

I metodi attuali per monitorare gli atleti negli sport di squadra non registrano la cinematica degli arti inferiori, che potrebbe essere una misura utile per identificare i fattori di rischio di infortunio. Il gold standard per l'analisi della cinematica degli arti inferiori durante lo sprint sono i sistemi di misurazione optoelettronica29,30,31,32. Sebbene i sistemi di misurazione optoelettronica servano da gold standard, questi sistemi mancano di validità ecologica a causa della loro area di misurazione limitata. La configurazione del sensore presentata in questo articolo supera i limiti degli attuali sistemi di misurazione ed è relativamente economica. La possibilità di registrare la cinematica degli arti inferiori sul campo, misurata dall'impostazione del sensore, può migliorare la pratica di monitoraggio degli atleti.

Studi precedenti che hanno esaminato la cinematica sprint29,31,37,38,39 hanno riportato angoli dell'anca che vanno dall'estensione di 210 ° alla flessione di 90 °. Inoltre, questi studi hanno riportato angoli del ginocchio che vanno dalla flessione minima di 160° e dalla flessione massima di 40°. I valori osservati in questo studio rientrano nell'intervallo precedentemente riportato. Uno studio38 ha riportato velocità angolari dell'anca che vanno da -590 °·s-1 a 700 °·s-1 e velocità angolari del ginocchio che vanno da -1.000 °·s-1 a 1.100 °·s-1. Sebbene i valori osservati in questo studio fossero più alti, mostrano una tendenza simile nel tempo. Il metodo è stato convalidato e potrebbe essere utilizzato per il monitoraggio degli atleti nel campo40.

Lo studio attuale presenta alcune limitazioni che devono essere affrontate. In primo luogo, oltre alle caratteristiche delle IMI utilizzate, gli utenti devono essere consapevoli del fatto che i segnali derivati dalle IMI sono influenzati da diverse fonti di errore che limitano l'eventuale gammadi applicazioni 41. In primo luogo, l'oscillazione dei tessuti molli intorno alle ossa (cioè, manufatti di tessuti molli42) può influenzare la registrazione della cinematica. Per questo motivo, è importante allegare attentamente le IMI al corpo del soggetto secondo i passaggi descritti nel protocollo. Sebbene siano state intraprese le misure necessarie, va notato che lo studio attuale non ha incluso cinghie elastiche extra per evitare movimenti errati del sensore. Ciò potrebbe migliorare i risultati e può essere visto come una limitazione di questo studio. In secondo luogo, i disturbi ferromagnetici provenienti da altri dispositivi (principalmente all'interno degli edifici) cambiano la grandezza o la direzione del vettore di campo magnetico misurato del magnetometro dell'IMU, causando così errori nell'orientamentostimato 43. Pertanto, le fonti di disturbo ferromagnetico dovrebbero essere evitate il più possibile. Inoltre, va notato che la configurazione del sensore non è applicabile agli placcaggi scorrevoli poiché i sensori si staccano dalla pelle a seguito del contatto con la superficie del suolo. Pertanto, i partecipanti dovrebbero essere istruiti a non eseguire placcaggi scorrevoli durante i giochi a piccoli lati. Una possibile soluzione per questo problema potrebbe essere quella di integrare la configurazione del sensore in indumenti intelligenti (adesempio, uno Smart Sensor Tights).

Le variabili cinematiche ottenute dalla configurazione del sensore potrebbero essere utilizzate in un modello segmentale al fine di monitorare gli atleti sul campo. Ricerche precedenti hanno trovato una riduzione della flessione massima combinata dell'anca e dell'angolo di estensione del ginocchio (cioè la lunghezza teorica del tendine del ginocchio) dopo ogni metà di una simulazione di partitadi calcio 44. Nello stesso studio, è stato osservato un aumento della velocità angolare del gambo durante le estremità di ogni metà. La minore lunghezza del tendine del ginocchio combinata con una maggiore velocità del gambo può indicare un aumento del rischio di sforzo eccessivo del tendine del ginocchio dopo l'affaticamento. Tali alterazioni nella cinematica dello sprint possono essere rilevate in un'impostazione di campo utilizzando un modello segmentale guidato da unità di misura inerziale (IMU). Oltre ai cambiamenti nella cinematica articolare, possono essere stimate anche le forze che agiscono sul corpo nel suo complesso. Le forze di reazione al suolo (GRF) descrivono il carico biomeccanico sperimentato dal sistema muscoloscheletrico totale, e possono essere stimate usando la seconda legge del moto di Newton (cioè F = m · a). La ricerca attuale in esecuzione ha utilizzato la stima GRF per ottimizzare le prestazioni dello sprint45,46 o valutare il rischio potenziale di lesioni47,48,49,50. Questi studi suggeriscono che le velocità di carico, i picchi di forza di impatto verticale e la forza di rottura orizzontale sono correlati alle lesioni muscoloscheletriche da uso eccessivo. Sebbene sia una sfida stimare accuratamente GRF durante movimenti specifici dello sport di squadraaltamente dinamici 51,52, la possibilità di monitorare queste variabili durante le misurazioni sul campo potrebbe fornire nuove informazioni per ottimizzare le prestazioni o prevenire infortuni.

I risultati presentati in questo documento si limitano al monitoraggio della cinematica degli arti inferiori durante uno sprint lineare, focalizzandosi sul meccanismo di lesione da sforzo del tendine del ginocchio. Tuttavia, va notato che gli infortuni all'anca e all'inguine si verificano frequentemente anche negli sportdi squadra 14,17,53,54,55. Queste lesioni sono probabilmente causate da un coinvolgimento ripetitivo di calci e cambi di direzione. Pertanto, la ricerca futura non dovrebbe solo limitare la loro attenzione allo sprint in relazione al meccanismo di lesione da sforzo del tendine del ginocchio, ma concentrarsi anche sull'espansione delle conoscenze riguardanti i compiti di cambio di direzione56 e calci 57,58,59 in relazione alle lesioni all'anca e all'inguine.

Per concludere, questa configurazione del sensore potrebbe essere integrata in capi intelligenti. I capi intelligenti possono consentire di registrare la cinematica degli arti inferiori sul campo durante le attività specifiche dello sport di squadra, che potrebbero migliorare il monitoraggio degli atleti in futuro. Ciò può aiutare i professionisti in un ambiente sportivo quotidiano a valutare i loro programmi di allenamento e ottimizzarli, con l'obiettivo di ridurre il rischio di infortuni.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori vorrebbero fortunatamente riconoscere le fonti di finanziamento fornite dall'organizzazione nazionale olandese per la ricerca (NWO). Inoltre, gli autori vorrebbero ringraziare per fortuna la Royal Football Association (KNVB) olandese per aver facilitato il programma di ricerca dando accesso alle loro strutture di ricerca. Infine, gli autori sottolineano per fortuna Thijs Wiggers per il suo contributo al programma di ricerca.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Software per computerThe MathWorks, Inc., Natick, MA, USAMatlab Versione 2018b
ConiNiken = 4
NastroPer il fissaggio di IMU sulla pelle
Unità di misura inerzialeMPU-9150, Invensense, San Jose, California, StatiUnitin = 5; Dimensioni: 3,5 x 2,5 x 1,0 cm; Peso: 0,011 kg; Frequenza di campionamento: 500Hz; Accelerometro: ± 16 g, giroscopio: ± 2000 °/s
NastroLunghezza minima: 30 metri
Spray pre-nastroMueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., Wisconsin, Stati UnitiContenuto: 283 g
Nastro estensibileFixomull, BSN Medical, Almere, Paesi Bassi
biadesivo di misurazione

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Fusione dei sensoriModello biomeccanicoAngoli dell anca e del ginocchioVelocit angolarePosizionamento dei sensoriProcedura di calibrazioneSprint di 30 metri

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