La biomeccanica del ciclismo si basa su un'attivazione muscolare efficiente e sulla stabilizzazione del core. La termografia a infrarossi (IRT) offre un monitoraggio non invasivo della fatica muscolare. Questo protocollo stabilisce una metodologia standardizzata per integrare la IRT nell'analisi biomeccanica, con l'obiettivo di ottimizzare le prestazioni e prevenire infortuni nei ciclisti amatoriali attraverso un monitoraggio fisiologico preciso.
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Articolo metodologico
Protocollo standardizzato per il monitoraggio della fatica muscolare e della biomeccanica nei ciclisti amatoriali utilizzando la termografia a infrarossi
In questo articolo
Sommario
Abstract
L'uso delle cyclette è aumentato significativamente, rendendo l'attività fisica più accessibile alla popolazione generale. Tuttavia, la mancanza di un monitoraggio preciso e non invasivo durante le sessioni di allenamento può mascherare squilibri muscolari e schemi biomeccanici inefficienti. Questi fattori, nelle fasi iniziali subcliniche, possono portare a un'elevata incidenza di lesioni muscoloscheletriche. Attualmente, la valutazione dell'esercizio si basa sulla percezione soggettiva dello sforzo o sulle metriche di performance convenzionali, creando una lacuna critica nella rilevazione precoce dei problemi fisiologici prima che evolvano in condizioni croniche. Dato il ruolo cruciale dell'esercizio fisico nella salute pubblica, è imperativo implementare strategie di valutazione sostenibili applicabili a diversi livelli di forma fisica. In questo contesto, la termografia a infrarossi (IRT) emerge come un'alternativa promettente grazie alla sua capacità di quantificare la temperatura superficiale della pelle, un indicatore diretto dell'attività metabolica, della termoregolazione e del flusso sanguigno. Questo progetto stabilisce un protocollo metodologico standardizzato che utilizza la IRT per monitorare la risposta fisiologica durante le sessioni di ciclismo in una popolazione non atletica. L'applicazione di questo protocollo ha rivelato che la IRT standardizzata può rilevare efficacemente asimmetrie termiche subcliniche e "hotspot" localizzati nelle articolazioni (ad esempio, il ginocchio a 32,8 °C) che altrimenti non sono rilevabili tramite percezione soggettiva dello sforzo (scala di Borg) o monitoraggio della cadenza del pedalamento. Controllando sistematicamente variabili ambientali e legate al soggetto, questa ricerca analizza la distribuzione superficiale della temperatura nella parte inferiore del corpo per valutare la biomeccanica e la fatica muscolare. In particolare, il protocollo facilita la correlazione tra schemi termici, livelli di fatica e cadenza di pedalata. Questo approccio non solo sostiene l'innovazione tecnologica nella medicina preventiva e nella sanità pubblica, ma getta anche le basi per uno strumento di diagnosi precoce in grado di mitigare i rischi di infortuni e ottimizzare il benessere della popolazione coinvolta in questa attività.
Introduzione
La biomeccanica del ciclismo è una disciplina multifaccettata che integra i principi del movimento umano, della fisiologia muscolare e del trasferimento di energia per ottimizzare le prestazioni e prevenire infortuni. Alla base, il ciclismo comporta un'alternanza ciclica tra la fase di potenza—in cui i quadricipiti, i muscoli glutei e il gastrocnemio generano la maggior parte della forza propulsiva—e la fase di recupero, durante la quale i muscoli posteriori della coscia e i flessori dell'anca facilitano il ritorno della gamba alla sua posizione iniziale. Il trasferimento efficiente di energia ai pedali non è solo una funzione dell'attivazione dei muscoli degli arti inferiori, ma dipende anche in modo critico dalla stabilizzazione del core, che garantisce un'efficienza biomeccanica e minimizza i movimenti compensatori che potrebbero predisporre il ciclista a uninfortunio 1,2,3.
Attualmente, i ricercatori si concentrano sulla valutazione dei modelli di attivazione muscolare, della fatica e delle risposte termoregolatorie durante ilciclismo 3,4,5. Questo interesse deriva dal riconoscimento che la fatica muscolare è un fenomeno complesso, che compromette le prestazioni e aumenta il rischio di infortuni, e che la sua diagnosi precoce e gestione sono essenziali sia per ciclisti d'élite cheper quelli ricreativi 2,6. Tra la gamma di strumenti di valutazione disponibili, la termografia a infrarossi (IRT) è stata riconosciuta come una tecnica promettente e non invasiva per monitorare l'attività muscolare e lafatica 5. La IRT consente la visualizzazione delle variazioni della temperatura cutanea, che possono riflettere l'attivazione muscolare sottostante e i processi termoregolatori durante l'esercizio che hanno un effetto diretto sul metabolismo degliatleti 5,7.
Nonostante il suo potenziale, l'applicazione della TIR nella ricerca e nella pratica della biomeccanica ciclistica affronta diverse sfide metodologiche. Sebbene alcune procedure operative standard (SOP) siano state proposte in contesti sportivi e clinicigenerali 8,9, vi è una necessità riconosciuta di ulteriori perfezionamenti dei protocolli esistenti per rispondere alle esigenze uniche di raffreddamento fisiologico e convettivo del ciclismoamatoriale 7,10. La variabilità delle condizioni ambientali, le incongruenze nella preparazione dei soggetti e la mancanza di consenso sulla selezione delle regioni anatomiche di interesse hanno limitato la riproducibilità e la comparabilità dei risultati tra gli studi 1,5,7,9. Queste limitazioni sottolineano la necessità di quadri metodologici rigorosi per sfruttare appieno il potenziale della IRT nel contesto delciclismo 7,10,11,12.
La letteratura rivela che i principali assi tematici in questo campo includono la fisiologia dell'esercizio, la TIR, il monitoraggio della temperatura cutanea, la performance dell'esercizio e latermoregolazione 2,5,7. Gli studi hanno dimostrato correlazioni significative tra la temperatura della pelle e i parametri di attivazione muscolare, come quelli ottenuti tramite elettromiografia superficiale (sEMG), suggerendo che la TRI possa fungere da marcatore surrogato per la fatica muscolare durante l'eserciziodinamico 5. Tuttavia, fattori esterni come la sudorazione, la temperatura ambiente e le differenze individuali nella capacità termoregolatrice potrebbero influenzare i risultati termografici, richiedendo un controllo attento e la segnalazione delle condizionisperimentali 7.
Allo stesso modo, i progressi nel monitoraggio non invasivo della fatica muscolare si sono estesi oltre la IRT includendo tecniche come sEMG, meccanomiografia (MMG), spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) e l'imagingultrasonico 13,14,15,16,17. Ogni modalità offre intuizioni uniche sulla funzione muscolare: la sEMG quantifica l'attività elettrica durante la contrazione, la MMG cattura le vibrazioni meccaniche, il NIRS valuta l'ossigenazione muscolare e l'ecografia visualizza la deformazione muscolare. L'integrazione della IRT in questo panorama multimodale offre un potenziale particolare per il ciclismo, dove il monitoraggio continuo e senza contatto è vantaggioso. L'IRT può integrare altre modalità fornendo dati spazialmente risolti in tempo reale sulla distribuzione della temperatura della pelle, che possono riflettere attivazione muscolare localizzata, asimmetrie e potenziali siti di sovraccarico olesione 14,18.
Per superare le incongruenze metodologiche identificate in ricerche precedenti, il protocollo proposto in questo studio è strettamente allineato agli standard internazionali per la termiografia clinica e sportiva. In particolare, i parametri per la preparazione dei soggetti e il controllo ambientale—come la restrizione di stimolanti e attività fisica, e l'uso di periodi di acclimatazione standardizzati—si basano sulle linee guida stabilite dall'International Academy of Clinical Termology (IACT), dall'American Academy of Thermology (AAT) e dal Glamorgan Protocol8. Inoltre, i contesti ambientali e tecnici, inclusa la valutazione dell'emissività e della deformazione termica, seguono gli standard ISO 9886 e le raccomandazioni dell'Associazione Europea di Termologia (EAT). Integrando queste normative consolidate, questo studio garantisce che le misurazioni IRT siano un riflesso affidabile delle risposte fisiologiche, fornendo un quadro solido per monitorare la fatica muscolare e la biomeccanica nei ciclisti ricreativi.
Tuttavia, l'applicazione efficace della TIR nella biomeccanica ciclistica richiede l'istituzione di metodologie standardizzate. Ciò include la definizione dei periodi di acclimatazione pre-esercizio, il controllo della temperatura e dell'umidità ambientale, la preparazione costante del soggetto e la precisa delineazione delle regioni anatomiche di interesse per l'analisitermica 5,7. Inoltre, lo sviluppo di protocolli robusti di analisi dei dati migliorerà l'interpretabilità e l'utilità dei datiIRT 5.
Il presente studio affronta queste lacune proponendo e validando un quadro metodologico completo per l'integrazione della IRT nell'analisi biomeccanica nei ciclisti ricreativi. Controllando sistematicamente le variabili ambientali e correlate al soggetto, e correlando i dati termici con i marcatori consolidati di attivazione muscolare e affatica, questo approccio mira a ottimizzare il monitoraggio della fatica muscolare, contribuire alla prevenzione degli infortuni e migliorare i risultati di performance 2,5,7,14.
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Protocollo
Il protocollo di ricerca è stato condotto in conformità con i principi etici della Dichiarazione di Helsinki. Grazie alla natura non invasiva e non a contatto della termografia a infrarossi, la sicurezza dei partecipanti è stata garantita durante tutto il processo di monitoraggio. Tutti i soggetti hanno fornito un consenso informato scritto prima dell'avvio di qualsiasi procedura, accettando l'uso dei dati fisiologici a scopi di ricerca. Lo studio ha seguito le linee guida interne della Facoltà di Ingegneria dell'Universidad Autónoma de Querétaro, garantendo l'anonimato dei partecipanti e la protezione dei dati.
NOTA: Per superare le incoerenze metodologiche emerse in ricerche precedenti, il protocollo proposto in questo studio è strettamente allineato agli standard internazionali per la termiografia clinica e sportiva. In particolare, i parametri per la preparazione dei soggetti e il controllo ambientale seguono le linee guida stabilite dall'International Academy of Clinical Thermology (IACT), dall'American Academy of Thermology (AAT) e dal Glamorgan Protocol. Inoltre, contesti tecnici come la valutazione dell'emissività e della deformazione termica seguono gli standard ISO 9886 e le raccomandazioni dell'Associazione Europea di Termologia (EAT). La fattibilità di questo protocollo è stata convalidata con 60 studenti di ingegneria biomedica dell'Universidad Autónoma de Querétaro, di età compresa tra i 20 e i 25 anni, per garantire l'aderenza al protocollo e l'omogeneità di base. Questa popolazione specifica ha garantito un'elevata conformità alle restrizioni pre-test e ha fornito una base fisiologica omogenea per verificare la coerenza delle catture termografiche.
1. Preparazione del soggetto e controllo ambientale (replicabilità e impatto demografico)
- Criteri di inclusione e fattori di soggetto
- Annota l'età e il sesso di ciascun soggetto per l'analisi delle differenze d'età e degli effetti sul sesso.
- Annota l'altezza e la massa del soggetto per l'uso nei parametri anatomici.
- Somministrare la scala di Borg di Valutazione dello Sforzo Percepito (RPE) (6–20). Istruire il soggetto a indicare il numero che rappresenta il suo livello di sforzo attuale prima e dopo il test per correlare i dati fisiologici con la stanchezza soggettiva.
- Restrizione del consumo e preparazione della pelle
- Proibisci al soggetto di consumare alcol e nicotina per 24 ore prima della misurazione.
- Impedisci al soggetto di assumere caffeina e di fare esercizio intenso durante le 3 ore precedenti il test.
- Istruisci il soggetto a non applicare creme, cosmetici o pomate sugli arti inferiori durante le 12 ore precedenti l'esame.
- Conferma che il soggetto sia adeguatamente idratato e registralo nella scheda dati pre-test.
- Usa una bilancia clinica per registrare la massa corporea prima del test. Chiedi al soggetto di consumare 300 mL d'acqua 30 minuti prima della sessione per garantire uno stato di idratazione di base standardizzato.
- Standardizzazione dell'abbigliamento e della postura
- Istruisci il soggetto a spogliarsi completamente gli arti inferiori del corpo.
- Fornisci pantaloncini da ciclismo standardizzati (Lycra nera senza cuciture visibili).
- Standardizzazione delle condizioni ambientali e di riposo
- Posiziona un termoigrometro digitale a 1 m dal soggetto a un'altezza di 1 m. Verifica che la temperatura ambiente sia tra 18 e 25 °C e che l'umidità relativa sia tra il 40% e il 55%. Annota questi valori ogni 5 minuti in un foglio di calcolo.
- Assicurati che non ci siano correnti d'aria dirette, esposizione alla luce solare o fonti di calore/freddo che possano influenzare la termoregolazione.
- Esegui un periodo di riposo statico di 15 minuti seduti per l'acclimatazione alle condizioni ambientali.
- Posiziona il soggetto sulla bicicletta statica nella postura richiesta.
2. Configurazione e acquisizione di immagini termografiche
- Apri il menu interno delle impostazioni della termocamera. Naviga nei parametri dell'oggetto e inserisci manualmente 0,98 per l'emissività (ε). Imposta la Temperatura Apparente Riflessa in modo che corrisponda alla temperatura ambiente misurata nello step 1.4.1.
- Utilizza la termografo a infrarossi (IRF) con una risoluzione minima di 320 x 240 pixel.
- Imposta l'emissività (ε) a 0,98 per la superficie della pelle umana.
- Usa un misuratore laser o un metro fisico per posizionare il treppiede esattamente a 100 cm dal piano laterale della manovella della bicicletta. Segna la posizione delle gambe del treppiede sul pavimento con del nastro adesivo per garantire zero spostamenti tra una presa e l'altra.
- Inserisci l'umidità relativa dell'ambiente nelle impostazioni dello strumento.
- Imposta la temperatura atmosferica del laboratorio e entra nella temperatura esterna.
- Posizionamento anatomico e acquisizione.
- Posiziona il termografo su un treppiede e imposta l'altezza della telecamera a 30 cm dal pavimento.
- Posiziona l'obiettivo a un angolo perpendicolare (≈90°) rispetto all'estremità inferiore del soggetto.
- Nel software di analisi termica, seleziona lo strumento ROI Poligono/Rettangolo. Clicca e trascina per delimitare una scatola di 10 x 5 cm sopra il retto femorale (a metà strada tra la colonna iliaca anterosuperiore e la rotula). Clicca su Calcola per estrarre la Temperatura Media (media T).
- Protocollo del punto di misura
- Acquisire l'immagine termografica immediatamente dopo aver completato il periodo di riposo di 15 minuti.
- Per garantire la cattura entro 5 secondi, fai stare il ricercatore dietro la telecamera con il presetto di messa a fuoco. Al segnale "Stop pedaling", estendi la gamba dominante fino a una posizione delle 6; premi immediatamente il pulsante Captura/Blocco sul grilletto della fotocamera.
- Recupero post-esercizio: Scatta la terza immagine termografica 10 minuti dopo il completamento dell'esercizio.
3. Esecuzione del protocollo di esercizio
- Imposta la bicicletta statica in modalità Ergometro con un carico di lavoro fisso di 150 W (regolando il peso del soggetto se necessaria una potenza normalizzata).
- Posiziona un metronomo digitale o usa la console integrata della bicicletta per imporre una cadenza costante di 80 giri/min. Istruire il soggetto a mantenere questo ritmo entro un margine di ±5 giri/min per garantire una risposta termoregolatora in stato stazionario.
- Verifica che la termocamera sia impostata su una modalità di registrazione Standard con un intervallo di temperatura da 20 °C a 45 °C e un'emissività di 0,98.
4. Analisi dei dati e standardizzazione
- Calcola lo spostamento termico (ΔT) usando la formula: ΔT = T dopo - Tpre. Esegui questo calcolo sia per l'asimmetria dominante che per quella non dominante per determinare l'asimmetria termica (asimmetria ΔT = |Tdestra - Tsinistra|)
- Evita di manipolare o ritagliare l'immagine termografica originale.
- Conservare la risoluzione iniziale dell'immagine e completare i metadati per l'analisi.
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Risultati
Biomeccanica ciclistica:
La biomeccanica ciclistica opera nel ciclo di pedalata. La Fase di Spinta (Verso il Basso) genera la forza principale: i quadricipiti (retto femorale, vasto laterale, mediale e intermedio) sono i motori principali, estendendo il ginocchio e muovendo il pedale. I glutei aiutano nell'estensione dei fianchi, fornendo potenza e stabilità. I vitelli (Gastrocnemio e Soleo) completano il trasferimento della forza. La Fase di Tira e Recupero (Verso l'...
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Discussione
La ricerca si basa su due pilastri: l'efficacia della Termografia a Infrarossi (IRT) come strumento non invasivo per misurare lo stress fisiologico e l'urgente necessità di standardizzare il suo protocollo metodologico. La giustificazione per l'uso della TRI per valutare la fatica in ciclismo è confermata da un'analisi di rete (Figura 2), che stabilisce il monitoraggio della temperatura della pelle e dell'esercizio come temi centrali nella letter...
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Dichiarazioni
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti noti o relazioni personali che possano aver influenzato il lavoro riportato in questo articolo.
Ringraziamenti
Gli autori desiderano ringraziare Humberto Aguirre Becerra per la lettura critica del manoscritto.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Scala Borg | Percezione Borg | RPE Scala 6-20 | Scala RPE 6-20 utilizzata per correlare la fatica soggettiva con asimmetrie termiche oggettive e hotspot subclinici. |
| Camera controllata | Strutture interne | Laboratorio di Fisiologia | Ambiente mantenuto a 18 & deg; Da C a 25 ° C e 40– 55% di umidità per garantire una temperatura cutanea stabile e minimizzare le interferenze convettive. |
| Fogli di Registro Dati | Google Forms (Voce digitale) | Moduli standardizzati per la registrazione dei dati antropometrici (età, sesso, BMI) e dello stato di idratazione per controllare le singole variabili termoregolatorie. | |
| Consenso informato | Comitato Etico Locale | Formato Istituzionale | Documentazione approvata dal Comitato Etico locale, che garantisce l'adesione alla Dichiarazione di Helsinki per il monitoraggio non invasivo. |
| Telecamera a infrarossi | Sistemi FLIR | 49001-2001 | Termocamera ad alta risoluzione (320 x 240 px) impostata su ε = 0,98 per misurare il calore metabolico localizzato e gli spostamenti termici (Δ T). |
| Strumenti di marcatura | BIC / Body Med | Pennarello per la pelle / Nastro per pavimenti | Pennarelli sicuri per la pelle e nastro da pavimento utilizzati per fissare la distanza tra la telecamera e il soggetto esattamente a 100 cm e garantire un allineamento anatomico costante del ROI. |
| Stadiometro & Scala | SECA | 763 (stazione digitale) | Strumenti per registrare altezza e massa corporea; Necessari per calcolare la potenza normalizzata e documentare le basi fisiologiche specifiche per soggetto. |
| Cortometraggi standardizzati | Nike | HV0411-010 / CZ9831-010 | I capi in Lycra nera sono utilizzati per standardizzare l'emissività della pelle e garantire un accesso libero alle Regioni di Interesse (ROI) degli arti inferiori. |
| Bicicletta Statica | Monark | 828E Ergomedic | L'ergometro elettromagnetico impostato su un carico di lavoro fisso (ad esempio, 150 W) e una cadenza costante (80 giri/min) per garantire una produzione metabolica di calore in regime stazionario. |
| Cronometro | Casio | HS-3V-1RET | Fondamentale per calcolare il periodo di acclimatazione di 15 minuti e garantire che la cattura IR avvenga entro 5 secondi dall'esercizio per evitare un rapido decadimento termico. |
| Termometro-igrometro | Società di Controllo/Tracciabile | 4040 | Dispositivo di monitoraggio in tempo reale; usata per inserire temperatura ambiente e umidità nei parametri dell'oggetto della telecamera IR per la correzione atmosferica. |
| Treppiede | Sistemi FLIR | T197731 | Supporto stabile impostato a un'altezza di 30 cm e a un angolo perpendicolare (&asinto; 90°) agli arti inferiori per l'acquisizione ripetibile. |
Riferimenti
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