Name: 현장에서 팀 스포츠 운동 선수의 엉덩이와 무릎 관절 운동학을 추정하는 관성 측정 단위 기반 방법 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 52 s
Description: 학습하세요 IMU 센서를 활용한 팀 스포츠 선수의 하지 운동학 측정 방법을. 30m 스프린트 테스트로 정확한 관절 움직임 데이터를 수집하여 부상 위험을 줄이고 운동 수행 능력을 향상시킵니다.

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저자는 고맙게도 네덜란드 국가 연구 기관 (NWO)에 의해 제공 된 자금 출처를 인정하고 싶습니다. 또한, 저자는 고맙게도 네덜란드 왕립 축구 협회 (KNVB)가 연구 시설에 대한 액세스를 제공함으로써 연구 프로그램을 용이하게하는 것을 인정하고 싶습니다. 마지막으로, 저자는 고맙게도 연구 프로그램에 대한 그의 기여에 대한 티즈 위거스를 인정하고 싶습니다.

이 섹션에 설명된 모든 방법은 그로닝겐 대학의 인간 운동 과학 센터의 윤리위원회에 의해 승인되었습니다 (등록 번호: 201800904).
1. 현장 테스트 및 관성 측정 장치 준비
<ol><li>필드 테스트의 시작을 결정하기 위해 서로 최소 1m 떨어진 두 개의 원두를 설정합니다. 참고: 원두 사이의 1m 거리는 피사체가 필드 테스트의 시작점을 통해 쉽게 실행할 수 있도록 합니다. 이 거리는 테스트 리더의 기본 설정으로 조정할 수 있습니다.</li>
	<li>30m 선형 거리가 이동될 때까지 테스트시작지점에서 측정 테이프를 롤링하여 필드 테스트의 끝점을 결정합니다.</li>
	<li>필드 테스트의 끝점을 결정하기 위해 두 개의 원두를 서로 최소 1m 이상 설정합니다.</li>
	<li>피사체의 몸에 제대로 부착할 수 있도록 ImUS를 준비합니다. 참고: IMU 치수 및 중량 특성에 대한 재료 표를 참조하십시오.<ol>
<li>스트레치 테이프를 10cm x 10cm 크기의 5개로 자른다.</li>
		<li>양면 접착제 테이프(예: 투피 테이프)를 사용 중인 ImUs의 크기와 동일한 5개로 자른다.</li>
		<li>각 IMU에 양면 접착 테이프 조각을 부착합니다.</li>
		<li>각 IMU에 레이블을 지정하여 데이터 분석 중에 개별적으로 인식할 수 있습니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 주제 준비
<ol><li>피사체의 성별, 나이, 체중 및 신장에 대한 정보를 얻습니다. 팀 스포츠에서의 배경에 대한 설문지를 작성하도록 주체에게 문의하십시오. 포함 기준을 충족하는 과목으로부터 서면 통보 된 동의를 얻습니다. 참고: 질문의 예: (i) 몇 년 동안 축구를 하나요? (ii) 어느 수준에서 축구를 하나요? (iii) 지난 6개월 동안 일주일에 몇 시간씩 축구 훈련을 해야 하나요? (iv) 당신의 플레이 포지션은 무엇입니까? (v) 당신은 어떤 고통을 경험 했거나 지난 6 개월 동안 낮은 사지에서 근골격계 부상을 유지 했습니까?</li>
	<li>제목이 포함 기준을 충족하는지 확인합니다. 참고: 프로토콜을 실행하기 전에 6 개월 동안 더 낮은 사지에서 근골격계 부상이나 통증을 경험하지 않았을 때 과목을 포함하십시오. 과목은 아마추어 수준에서 경쟁 팀 스포츠에서 1 년 이상의 경험을가져야합니다.</li>
	<li>스포츠 의류(예: 축구 셔츠, 축구 반바지, 축구화)로 변경해 달라고 부탁한다. 참고 : 센서가 경골에 배치되기 때문에 축구 양말은 원치 않습니다.</li>
	<li>피사체의 본문에 부착할 수 있도록 ImUS를 준비합니다.<ol>
<li>5개의 ImUS를 서로 나란히 정렬합니다.</li>
		<li>센서 상단에 있는 버튼을 눌러 5개의 ImUS를 동시에 활성화합니다. 녹색 표시등이 깜박일 때 센서가 활성화됩니다. 참고: 이 순간부터 각 IMU는 500Hz의 데이터를 샘플링합니다. 테스트가 완료된 후 데이터를 랩톱이나 컴퓨터에 업로드해야 합니다.</li>
		<li>하드 표면의 모든 ImUs를 동시에 탭하여 기계적 피크가 생성되었는지(예: 테이블의 경우). 참고: IMU 신호를 동기화하기 위해서는 기계적 피크가 필요합니다. IMU 신호의 동기화는 데이터 처리(섹션 5)에서 수행됩니다. 이 섹션은 시판되는 센서를 사용할 때 필요하지 않습니다. 이 경우 해당 소프트웨어를 사용하여 센서를 동기화합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>피사체의 본문에 ImUS를 부착합니다(그림1).<ol>
<li>다음 해부학 적 위치에서 피사체의 몸 머리를 면도 : 후방 우수한 iliac 척추, 오른쪽과 왼쪽 경골의 전방 뼈 부분, 오른쪽과 왼쪽 허벅지의 측면 부분 (즉, 요도 일리오티비어리스)사이의 사통에서. 참고: 센서를 배치해야 하는 해부학적 위치는 심Pation에 의해 결정될 수 있습니다.</li>
		<li>2.5.1 단계에서 설명된 해부학적 위치에 접착제 스프레이를 분무하십시오. 접착제 스프레이가 건조했는지 확인하기 위해 5-10 s를 기다립니다. 참고: 스프레이를 피부에서 최소 10cm(4인치) 떨어진 곳에 보관하고 원하는 부위를 스위핑 동작으로 분사합니다.</li>
		<li>ImUs에서 양면 접착제 테이프의 보호 층을 제거합니다.</li>
		<li>IMU를 기술된 해부학 적 위치에 배치합니다. IMU의 해당 레이블(예: 오른쪽 생크: IMU 1)을 적어 둡니다.</li>
		<li>각 IMU 위에 스트롱 테이프를 부착하여 센서가 피부에 추가로 고정되도록 합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. IMU 센서 교정
<ol><li>피사체에게 발 엉덩이 너비와 손을 옆으로 떼어 놓고 중립적인 자세로 가만히 서도록 지시한다. 최소 5초 동안 이 위치를 유지합니다.</li>
	<li>피사체에게 좌엉덩이와 무릎을 좌측 엉덩이와 무릎을 90° 각도로 구부린 다음 3.1단계에서 설명된 대로 엉덩이를 중립 위치로 확장하도록 지시한다. 참고: 운동 변수의 정의는 그림 2를참조하십시오.</li>
	<li>오른쪽 엉덩이와 무릎에 대한 3.2 단계를 반복합니다.</li>
	<li>참가자에게 트렁크를 지면쪽으로 구부리고 중립 위치로 돌아가라고 지시한다.</li>
	<li>최소 5시 동안 기다립니다.</li>
	<li>한 번 단계를 반복3.1-3.5.</li>
</ol>4. 30m 선형 스프린트 테스트 실행
<ol><li>피사체에 워밍업을 하도록 지시합니다(예: 축구 전용 FIFA 11+ 워밍업 프로그램20).</li>
	<li>테스트 프로토콜에 대해 제목에 알립니다.<ol>
<li>분명히 시험 도중 상해를 유지하는 리스크가 일반적인 훈련 도중 보다는 높지 않으며 과목이 아무 이유도 주지 않고 언제든지 시험을 중단할 수 있다는 것을 명시합니다.</li>
		<li>피사체가 출발선에 서있는 발과 필드의 출발선 뒤에 어깨를 나란히 하여 올바른 출발 위치에 서도록 지시합니다.</li>
		<li>테스트 리더가 3에서 0으로 카운트 다운된 다음 '시작'을 외치도록 지시합니다. '시작'이 호출되면 테스트가 시작됩니다.</li>
		<li>30m 엔드 포인트에 도달할 때까지 가능한 한 빨리 스프린트를 할 수 있도록 피사체에 알립니다. 30m 의 마감점에 도달하면 피사체가 가능한 한 빨리 정지 위치로 감속해야합니다.</li>
		<li>피사체가 질문을 하도록 허용합니다. 필요한 경우 피사체가 주체를 프로토콜에 익숙해지기 위해 연습 실행을 수행하도록 허용합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>지침이 명확한지 피사체에게 물어본다.</li>
	<li>피사체가 올바른 시작 위치에 있는지 확인합니다.</li>
	<li>'3'에서 '0'으로 카운트 다운하고 테스트를 시작하기 위해 '시작'을 외칩니다. 시작 기호가 지정되면 타이머를 시작합니다.</li>
	<li>최대 성능을 달성하기 위해 주제를 격려한다.</li>
	<li>참가자가 정지 위치에 도달하면 타이머를 중지합니다.</li>
	<li>세 번의 스프린트가 수행될 때까지 4.4-4.6 단계를 반복합니다. 참고: 참가자가 시험 시간 동안 최소 2분 동안 휴식을 취하도록 합니다. 데이터 분석을 위한 가장 빠른 스프린트를 포함합니다.</li>
	<li>피사체에 냉각을 수행하도록 지시합니다.</li>
	<li>피사체의 본체에서 스트레치 테이프와 양면 접착제 테이프를 제거하여 피사체에서 ImUS를 분리합니다.</li>
</ol>5. 데이터 처리
<ol><li>USB 케이블을 사용하여 IMU를 컴퓨터와 연결합니다. 원시 IMU 데이터를 컴퓨터의 특정 폴더로 내보냅니다.</li>
	<li>오픈 MATLAB (버전 r2018b). 원시 IMU 데이터 파일(예: 가속도계, 자이로스코프 및 자력계 데이터)을 가져옵니다.</li>
	<li>원시 IMU 데이터 파일을 동기화합니다.<ol>
<li>하나의 센서(예: 골반 센서)의 가속 데이터 파일을 가져옵니다.</li>
		<li>X, Y 및 Z 가속 신호를 차별화하여 바보를 계산합니다. X, Y, Z 바보를 합쳐 서 총 바보를 얻습니다.</li>
		<li>총 바보가 최대 값에 도달한 데이터 파일에서 인덱스 값을 찾아 기계적 피크를 얻습니다. 인덱스 값은 측정의 시작입니다.</li>
		<li>센서의 인덱스 값 앞에 가속 데이터, 자력계 데이터 및 자이로스코프 데이터의 모든 데이터 점을 삭제합니다.</li>
		<li>해당 센서의 각 원시 데이터 파일에 대해 5.3.1-5.3.3 단계를 반복합니다.</li>
		<li>각 데이터 파일에 대해 샘플링된 데이터 포인트 수를 확보하여 가장 적은 양의 데이터 요소가 포함된 센서를 결정합니다.</li>
		<li>가장 짧은 기간 동안 신호를 등록한 센서의 크기와 동일한 다른 모든 데이터 파일을 잘라냅니다.</li>
	</ol></li>
	<li>12Hz의 차단 주파수를 사용하여 두 번째 주문 저패스 버터워스 필터를 사용하여 자이로스코프 데이터를 필터링합니다. 참고: 필터 및 특정 컷오프 빈도는 이전 파일럿 실험에서 시각적 데이터 검사를 기반으로 선택되었습니다.</li>
	<li>Madgwick필터(35)를사용하여 센서의 방향 쿼터니온을 계산하여 글로벌 어스 프레임에 대하여 센서 방향을 얻을 수 있다. 참고: 글로벌 어스 프레임과 관련하여 센서 방향이 어떻게 계산되는지에 대한 광범위한 설명은 Madgwick 외35에설명되어 있습니다.</li>
	<li>센서 좌표 프레임을 바디 세그먼트에 정렬합니다.<ol>
<li>보정 중에 피사체가 가만히 서 있을 때 데이터 파일의 인덱스 번호를 선택합니다(3.1 단계). 참고: 센서의 세로축이 중력 벡터와 유사하다고 가정합니다.</li>
		<li>단계 5.6.1의 인덱스 번호를 사용하여 정적 교정 중에 전역 참조 프레임과 관련하여 각 센서의 평균 방향을 계산합니다. 그런 다음 각 센서의 센서 프레임을 회전하여 정적 교정 중에 전역 참조 프레임과 정렬합니다.</li>
		<li>왼쪽 다리의 교정 움직임이 수행되었을 때 데이터 파일의 인덱스 번호를 선택합니다(3.2 단계).</li>
		<li>교정 움직임이 전두엽 축에 대한 회전일 수 있도록 왼쪽 다리 센서의 방향을 회전합니다.</li>
		<li>오른쪽 다리와 트렁크의 교정 움직임을 위해 5.6.3 및 5.6.4 단계를 반복합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>각 조인트에 대한 근접 세그먼트의 좌표 프레임에서 단상 체단 세그먼트의 방향을 표현하여 조인트 방향을 가져옵니다.</li>
	<li>획득한 조인트 방향을 'XZY' 오일러 각도로 분해하여 조인트 각도를 얻습니다. 참고: 획득한 조인트 방향을 'XZY' 오일러 각도로 분해하는 방법은 Diebel36의작업에 설명되어 있다.</li>
	<li>해당 근위 세그먼트의 좌표 프레임에서 각 단면 세그먼트의 자이로스코프 신호를 발현하는 조인트 각도 속도를 구하여 근위 세그먼트의 각 속도를 뺀다.</li>
	<li>단계 감지 알고리즘을 사용하여 선형 스프린트 동안 각 단계를 식별합니다.<ol>
<li>MATLAB에서 필터링된 자이로스코프 데이터를 가져옵니다.</li>
		<li>피크 검출 기능을 사용하여 자이로스코프 신호의 피크를 식별합니다. 참고: 피크 높이는 286.5°·s-1로 설정되었고 최소 피크 거리는 100샘플(= 0.2s)으로 설정되었다.</li>
	</ol></li>
	<li>각 단계에 대해 엉덩이 각도, 무릎 각도, 엉덩이 각도 속도 및 무릎 각도 속도에 대한 최대 값을 계산합니다.</li>
	<li>각 단계에 대해 엉덩이 각도, 무릎 각도, 엉덩이 각도 속도 및 무릎 각도 속도에 대한 최소 값을 계산합니다.</li>
	<li>각 단계에 대해 최대 엉덩이 각도에서 최소 엉덩이 각도를 빼서 엉덩이 모션 범위를 계산합니다.</li>
	<li>각 단계에 대해 최대 무릎 각도에서 최소 무릎 각도를 빼서 무릎 운동 범위를 계산합니다.</li>
	<li>추가 분석을 위해 처리된 데이터를 컴퓨터의 특정 폴더에 저장합니다.</li>
</ol>6. 데이터 분석
<ol><li>MATLAB에서 처리된 IMU 데이터를 가져옵니다.</li>
	<li>스텝 감지 알고리즘에 의해 확인된 단계에 따라 스프린트를 가속, 최고 속도 및 감속 단계로 나눕니다. 참고: 이 문서의 스프린트 단계는 임의로 선택되었습니다. 가속 단계는3~837단계로정의되며 감속 단계는 스프린트의 마지막 8단계로 정의됩니다. 최상위 속도 데이터는 이러한 단계 간에 수행된 단계에서 파생되었습니다.</li>
	<li>데이터 분석을 위해 각 속도 데이터를 선택합니다.</li>
	<li>30m 선형 스프린트 테스트의 각 단계에서 모든 단계의 역학 변수의 평균 값과 표준 편차를 계산합니다.</li>
	<li>각도 데이터에 대해 6.3 및 6.4단계를 반복합니다.</li>
</ol>

저자는 공개 할 것이 없습니다.

팀 스포츠에서 선수를 모니터링하는 현재의 방법은 부상 위험 요소를 식별하는 유용한 조치가 될 수있는 낮은 사지 운동 학을 등록하지 않습니다. 전력 질주 중 낮은 사지 운동학을 분석하기위한 금 표준은 광전자 측정 시스템29,30,31,32입니다. 광전자 측정 시스템은 금 본위제 역할을 하지만, 이러한 시스템은 제한된 측정 영역으로 인해 생태학적 타당성이 부족합니다. 이 문서에 제시된 센서 설정은 현재 측정 시스템의 한계를 극복하고 상대적으로 저렴합니다. 센서 설정에 의해 측정된 현장에서 더 낮은 사지 운동학을 등록할 수 있는 가능성은 선수 모니터링 연습을 향상시킬 수 있다.
스프린트 운동학29,31,37,38,39를 조사한 이전 연구는 210° 확장에서 90° 굴곡에 이르는 엉덩이 각도를 보고했습니다. 또한, 이러한 연구는 160 ° 최소 굴곡과 40 ° 최대 굴곡에 이르기까지 무릎 각도를보고했다. 이 연구에서 관찰된 값은 이전에 보고된 범위 내에 있습니다. 한 연구38은 -590°·s-1 ~700°·s-1 및 무릎 각속도 -1,000°·s-1 ~1,100°·/s-1에 이르는 고관절 각속도를 보고했다. 이 연구에서 관찰 된 값은 더 높았지만 시간이 지남에 따라 비슷한 추세를 보여줍니다. 이 방법은 검증되었으며 필드40에서선수 모니터링에 사용할 수 있습니다.
현재 연구에는 해결해야 할 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 첫째, 사용 된 ImUs의 특성외에도 사용자는 ImUs에서 파생 된 신호가 응용 프로그램(41)의가능한 범위를 제한하는 여러 오류 소스의 영향을 받는다는 것을 알고 있어야합니다. 첫째, 뼈 주위의 연조직의 진동(즉, 연조직유물(42)은운동학의 등록에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유로 프로토콜에 설명된 단계에 따라 피사체의 본문에 ImUs를 신중하게 부착하는 것이 중요합니다. 필요한 조치가 수행되었지만, 현재 연구에는 잘못된 센서 움직임을 방지하기 위한 신축성 있는 스트랩이 추가되지 않았다는 점에 유의해야 합니다. 이 결과 향상 시킬 수 있습니다 하 고이 연구의 제한으로 볼 수 있습니다. 둘째, 다른 장치(주로 건물 내부)의 강자성 장애는 IMU 의 자기장 계의 측정 된 자기장 벡터의 크기 또는 방향을 변화시켜 추정 방향(43)에오류를 유발합니다. 따라서, 강자성 교란의 근원은 가능한 한 많이 피해야 한다. 또한 센서가 지면에 접촉하여 피부에서 분리되기 때문에 센서 설정이 슬라이딩 태클에 적용되지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 참가자는 작은 양면 게임 중에 슬라이딩 태클을 수행하지 말라는 지시를 받아야합니다. 이 문제에 대한 가능한 해결책은 스마트 의류 (즉,스마트 센서 스타킹)에 센서 설정을 통합하는 것입니다.
센서 설정에서 얻은 운동 변수는 현장에서 운동 선수를 모니터링하기 위해 세그먼트 모델에 사용될 수 있습니다. 이전 연구는 축구 경기 시뮬레이션의 각 절반 후 최대 결합 엉덩이 굴곡과 무릎 확장 각도 (즉, 이론적 햄스트링 길이)를 발견했다44. 같은 연구에서는, 각진 속도의 증가는 각 반의 끝 동안 관찰되었다. 증가 된 생크 속도와 결합 된 낮은 햄스트링 길이는 피로 후 과도한 햄스트링 변형의 위험이 증가 나타낼 수 있습니다. 전력질주 운동학의 이러한 변화는 관성 측정 장치(IMU) 구동 세그먼트 모델을 사용하여 필드 설정에서 검출될 수 있다. 관절 운동학의 변화 외에도 신체 전체에 작용하는 힘도 추정 할 수 있습니다. 지상 반응력(GRF)은 총 근골격계에 의해 경험되는 생체 역학 적재를 설명하고, 뉴턴의 제2 운동 법(즉, F = m ·a)을 사용하여 추정될 수 있다. 현재 의 연구는 스프린트 성능45,46을 최적화하거나 잠재적 인 부상 위험을 평가하기 위해 GRF 추정을 사용47,48,49,50. 이러한 연구는 로딩 속도 제안, 수직 충격 힘 피크와 수평 파괴 힘은 근골격계 남용 부상과 관련이 있다. 고도로 역동적인 팀 스포츠 특정 움직임51,52에서 GRF를 정확하게 추정하는 것은 어렵지만, 현장에서 측정하는 동안 이러한 변수를 모니터링 할 수있는 가능성은 성능을 최적화하거나 부상을 방지하기 위한 새로운 정보를 제공 할 수 있습니다.
이 논문에 제시된 결과는 선형 스프린트 동안 더 낮은 사지 운동학을 모니터링하는 것으로 제한되며 햄스트링 스트레인 부상 메커니즘에 중점을 둡니다. 그러나, 엉덩이와 사타구니 부상도 팀 스포츠14,17,53,54,55에서자주 발생한다는 점에 유의해야한다. 이러한 부상은 아마도 발로 차고 방향의 변화의 반복적인 참여에 의해 발생합니다. 따라서, 향후 연구는 햄스트링 스트레인 부상 메커니즘과의 관계에서 전력질주에 초점을 맞출 뿐만 아니라 방향 작업56의 변화에 대한 지식을 확대하고57,58,59를 엉덩이와 사타구니 부상과 관련하여 발로 차는 데 집중해야 합니다.
결론을 위해 이 센서 설정은 스마트 의류에 통합될 수 있습니다. 스마트 의류는 팀 스포츠 특정 작업 중에 현장에서 더 낮은 말단 운동학을 등록할 수 있으며, 이는 향후 운동 선수 모니터링을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 매일 스포츠 환경에서 전문가가 자신의 교육 프로그램을 평가하고 그들을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다, 부상 위험을 줄이기 위해 목표로.

팀 스포츠(예: 축구 및 필드 하키)는 고강도 달리기 나 전력 질주와 같은 간단한 폭발적인 행동을 번갈아 가며 걷기 또는 조깅1,2,3,4,5,6과같이 덜 까다로운 활동이 길어지는 것을 특징으로합니다. 지난 수십 년 동안 게임의 물리적 요구는 고속 및 전력 질주, 빠른 볼 속도 및 더 많은 패스7,8로더 많은 거리를 커버하여 진화했습니다.
선수는 지속적으로 유지하고 게임의 물리적 요구를 견딜 수있는 자신의 물리적 능력을 개선하기 위해 열심히 훈련. 충분한 회복과 함께 훈련 자극을 올바르게 적용하면 인체의 적응으로 이어지는 반응을 유도하여 체력과 성능9을향상시직습니다. 반대로, 훈련 자극과 회복 사이의 불균형은 장기간피로 이어질 수 있으며, 프로 및 아마추어 팀 스포츠 선수10,11,12,13모두에서 부상의 위험을 증가시키는 바람직하지 않은 훈련 반응 (mal적응)으로 이어질 수 있습니다.
높은 훈련과 경기 자극과 함께 주요 위험 중 하나는 근육 긴장 부상. 근육 긴장 부상은 팀 스포츠에서 모든 시간 손실 부상의 3 분의 1 이상을 구성하고 햄스트링이 가장 자주 관련된14,15,16,17인과 함께 총 부상 부재의 사분의 일 이상을 야기한다. 또한, 햄스트링 스트레인 부상을 입은 선수의수는 매년18, 19로증가하고 있으며, 햄스트링 스트레인부상(12,13,20,21)을방지하기 위해 여러 프로그램이 도입되었음에도 불구하고 매년 증가하고 있다. 따라서, 이것은 스포츠에서 부정적인 영향을 가지고22 그리고 금융23 관점. 따라서, 개별 선수의 적절 한 모니터링 훈련 일정을 최적화에 대 한 필수적 이다, 부상 위험을 최소화 하 고 성능을 최적화.
팀 스포츠에서 현재 선수 모니터링 연습은 주로 로컬 또는 글로벌 포지셔닝시스템(24,25)에의해 측정된 위치 데이터를 기반으로 합니다. 이러한 시스템은 거리 커버, 평균 실행 속도 또는 PlayerLoad26,27,28과같은 가속기반메트릭과같은 GPS 기반 메트릭을 통해 활동을 모니터링합니다. 이러한 조치의 단점은 낮은 사지 운동학을 포함하지 않는다는 것입니다. 광전자 측정 시스템은 선형 스프린트29,30,31,32동안 하부 사지의 운동 분석을 수행하는 금 표준역할을 한다. 이러한 시스템의 단점은 제한된 측정 영역, 시스템을 작동하기 위한 전문가의 필요성 및 시간이 많이 소요되는 데이터 분석으로 인해 생태학적 타당성이 결여되어 있다는 것입니다. 따라서, 이 방법은 매일 스포츠 연습에 적합하지 않습니다.
센서 기술의 급속한 발전은 선수를 모니터링하는 현재 방법의 한계를 극복 할 수 있습니다. 관성 측정 장치(IMU)의 최근 신뢰성, 소형화 및 데이터 저장 가능성은 센서 기술을 현장으로 적용할 수 있게 해줍니다. Imus는 가속, 각 속도 및 자기장을 측정하는 가속도계, 자이로스코프 및 자기장을 각각33,34로함유하고 있습니다. 센서는 신체 세그먼트, 센서 융합 알고리즘 및 생체 역학 모델에 단단히 고정되어 있어 조인트운동학(33)을추정할 수 있다. 다른 신체 세그먼트의 가속에 대한 정보와 함께 관절 운동학의 등록은 팀 스포츠에서 선수 모니터링을 향상시킬 수 있습니다.
IMU 센서 설정을 표준화된 필드 테스트와 결합하면 현장에서 선형 전력질주 중에 얼마나 낮은 사지 역학이 등록되는지 알 수 있으며, 이는 부상 위험 요소를 식별하는 데 유용한 척도가 될 수 있습니다. 센서 설정은 전문가가 교육 일정을 최적화하여 성능을 개선하고 부상 위험을 최소화하는 데 사용할 수 있는 현재 모니터링 측정값에 추가 정보를 제공할 수 있습니다. 따라서, 이 문서의 주요 목적은 현장에서 팀 스포츠 선수의 엉덩이와 무릎 관절 운동학을 추정하기위한 관성 센서 설정을 입증하는 것입니다.

<table><tbody><tr><td>컴퓨터 소프트웨어</td><td>The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA</td><td></td><td>Matlab 버전 2018b</td></tr><tr><td>Cones</td><td>Nike</td><td></td><td>n = 4</td></tr><tr><td>양면 접착 테이프</td><td></td><td></td><td>피부에 IMU를 부착하기 위한</td></tr><tr><td>관성 측정 장치</td><td>MPU-9150, Invensense, San Jose, California, United States</td><td></td><td>n = 5; 크기: 3.5 x 2.5 x 1.0cm; 무게 : 0,011 kg; 샘플 주파수: 500Hz; 가속도계: &plusmn; 16 g, 자이로스코프: &plusmn; 2000 &deg;/s</td></tr><tr><td>측정 테이프</td><td></td><td></td><td>최소 길이: 30</td></tr>미터 <tr><td>사전 테이프 스프레이</td><td>Mueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., 위스콘신, 미국</td><td></td><td>내용물: 283g</td></tr><tr><td>스트레치 테이프</td><td>Fixomull, BSN Medical, Almere, 네덜란드</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

현장에서 팀 스포츠 운동 선수의 엉덩이와 무릎 관절 운동학을 추정하는 관성 측정 단위 기반 방법

An Inertial Measurement Unit Based Method to Estimate Hip and Knee Joint Kinematics in Team Sport Athletes on the Field

팀 스포츠의 현재 선수 모니터링 연습은 주로 글로벌 포지셔닝 또는 로컬 포지셔닝 시스템에서 측정된 위치 데이터를 기반으로 합니다. 이러한 측정 시스템의 단점은 낮은 사지 역학을 등록하지 않는다는 것입니다. 센서 기술의 급속한 개발은 현재 측정 시스템의 한계를 극복할 수 있습니다. 관성 측정 장치(ImUs)가 신체 세그먼트, 센서 융합 알고리즘 및 생체 역학 모델에 안전하게 고정되어 관절 운동학을 추정할 수 있습니다. 이 문서의 주요 목적은 현장에서 팀 스포츠 선수의 엉덩이와 무릎 관절 운동학을 추정하기위한 센서 설정을 시연하는 것입니다. 5명의 남성 과목(22.5± 2.1세, 체질량 77.0 ± 3.8kg, 신장 184.3 ± 5.2cm, 트레이닝 경험 15.3 ± 4.8세)는 최대 30미터 리니어 스프린트를 수행했습니다. 엉덩이와 무릎 관절 각도와 각 속도는 골반에 배치 다섯 ImUs에 의해 얻어졌다, 모두 허벅지와 두 생크. 엉덩이 각도는 195° (± 8 °) 확장에서 100.5 ° (± 8 °) 굴곡과 무릎 각도범위 168.6 °(± 12°) 최소 굴곡과 62.8 ° (± 12°) 최대 굴곡. 또한, 엉덩이 각 속도는 802.6°·s-1(± 192°·s-1)과 -674.9°·s-1(± 130°·s-1)사이였다. 무릎 각 속도는 1155.9 °·s-1(± 200°·s-1)과 -1208.2°·s-1(± 264°·s-1)사이였다. 센서 설정이 검증되었으며 현장에서 선수 모니터링과 관련하여 추가 정보를 제공할 수 있습니다. 이것은 매일 스포츠 환경에서 전문가가 부상을 줄이고 성능을 최적화하는 것을 목표로 교육 프로그램을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.

5과목(모든 남성, 모든 축구 선수, 22.5세 ± 2.1년, 몸질량 77.0 ± 3.8kg, 높이 184.3 ± 5.2cm, 트레이닝 경험 15.3 ± 4.8세)는 최대 30m 리니어 스프린트를 수행했습니다. 엉덩이 각도는 가속 시 최대 확장 100.5°(± 8°) 및 183.1°(± 8°) 사이의 범위, 최고 속도 동안 104.1°(± 8°) 최대 굴곡과 195°(± 8°) 최대 확장, 최대 굴곡 128.4°(± 11°) 및 감속 시 최소 굴곡 171.9°(± 23°) 엉덩이 각 속도는 744.9 °·s-1(± 154°·s-1) 및 -578°·s-1(± 99°·s-1) 사이로, 가속도 시, 802.6°·s-1(± 192°·s-1) 및 -674.9°·s-1(± 130°·s-1) 및 최고 속도 중 447.7°·s-1(± 255°·s·1) 및 -430.3°·s-1(± 189°·189°·189°1). 
또한 무릎 각도는 가속 시 73.5°(± 12°) 최대 굴곡과 162.6°(± 7°) 사이의 최소 굴곡, 최고 속도 동안 62.8°(± 12°) 최대 굴곡과 164.8°(± 6°) 최소 굴곡, 81.1°(± 16°) 최대 굴곡 및 168.6°(± 12°) 최소 굴곡. 무릎 각 속도는 935.8°·s-1(± 186°·s-1) 및 -1137.8°·s-1(± 214°·s-1) 사이, 1155.9°·s-1(± 200°·s-1) 및 -1208.2°·s-1(± 264°·s-1), 최고 속도 1000.1°·s-1(± 282°·s-1) 및 -1004.3°·~1°1°1(±~1°1°.1°1°1°..1°1.이다. 도 3은 선형 30m 스프린트 테스트의 한 시험의 연속 적인 운동 데이터를 보여 주며, 도 4 및 도 5는 한 시험의 가속, 최고 속도 및 감속 중에 한 보폭 주기의 역학 데이터를 보여줍니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig1.jpg"> 그림 1: 센서 배치의 표현. (A)오른쪽과 왼쪽 생크에 센서 배치. (B)골반, 좌우 허벅지에 센서 배치. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig2.jpg"> 그림 2: 엉덩이와 무릎 관절 각도 및 각도 속도에 대한 정의. (A)적기 평면에서 중립 위치의 표현. 중립 위치의 조인트 각도는 180°입니다. (B)엉덩이 관절의 표현 (θ 엉덩이), 무릎 관절 (θ 무릎) 및 운동 범위 (ROM). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig3.jpg"> 그림 3: 가속, 최고 속도 및 감속 단계에서 한 시험의 스프린트 역학 시각화. asterix는 단계가 감지된 시기를 나타냅니다. (A)시간이 지남에 따라 좌우 엉덩이 굴곡 및 연장 각도. (B)시간이 지남에 따라 좌우 엉덩이 각 속도. (C)시간이 지남에 따라 좌우 무릎 각도. (D)시간이 지남에 따라 좌우 무릎 각 속도. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig4.jpg"> 그림 4: 한 단계의 고관절 각도(°) 및 각도 속도(굴곡/확장)가 가속, 최고 속도 및 감속 중에 도시되는 극지 플롯. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig5.jpg"> 그림 5: 한 단계의 무릎 조인트 각도(°) 및 각도 속도(굴곡/확장)가 가속, 최고 속도 및 감속 중에 도시되는 극지 플롯. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

선수를 모니터링하는 것은 팀 스포츠의 성능 향상과 부상 위험을 줄이는 데 필수적입니다. 선수를 모니터링 하는 현재 방법은 낮은 사지를 포함 하지 않습니다. 여러 가지 관성 측정 장치를 더 낮은 사지에 부착하면 현장에서 모니터링 선수를 향상시킬 수 있습니다.

Current athlete monitoring practice in team sports is mainly based on positional data measured by global positioning or local positioning systems. The ...

훈련과 회복 사이의 올바른 균형은 인체의 적응으로 이어집니다. 이 훈련 과정을 모니터링하는 것은 성과를 최적화하고 부상 위험을 줄이는 데 필수적입니다. 센서 설정의 주요 장점은 운동 선수의 하지에 초점을 맞추기 때문에 현장의 현재 모니터링 시스템에 추가 정보를 제공한다는 것입니다.축구와 하키와 같은 팀 스포츠는 빠른 방향 전환, 가속 및 감속이 특징입니다. 이를 위해서는 특정 센서 설정이 필요합니다. 근육 부상은 팀 스포츠에서 심각한 문제이며, 우리는 이 방법을 통해 이러한 유형의 부상을 줄이는 동시에 성능을 향상시킬 수 있다고 생각합니다.이 절차의 시연자는 우리 팀의 박사 과정 학생인 Bram Bastiaansen과 Erik Wilmes가 될 것입니다. 포함 기준을 충족하는 피험자로부터 서면 동의서를 받습니다. 피험자에게 팀 스포츠에 대한 배경에 대한 설문지를 작성하게 합니다.피험자의 성별, 나이, 체중 및 키에 대한 정보를 얻습니다. 피험자가 스포츠복으로 갈아입은 후 모든 IMU를 나란히 정렬하고 센서 상단의 버튼을 눌러 IMU를 활성화합니다. 녹색 표시등이 깜박이면 센서가 활성화됩니다.그런 다음 단단한 표면에서 모든 IMU를 함께 두드려 기계적 피크가 생성되었는지 확인합니다. IMU를 부착하기 전에 양쪽 후방 상장골 척추 사이의 천골, 오른쪽 및 왼쪽 경골의 전내측 부분, 오른쪽 및 왼쪽 허벅지의 측면 부분에서 피험자의 체모를 면도합니다. 모든 부위를 면도한 후 어플리케이터를 피부에서 최소 10cm 이상 떨어뜨리고 노출된 피부에 접착 스프레이를 바르십시오.스프레이가 마를 때까지 5-10초 동안 기다린 후 IMU의 양면 접착 테이프에서 보호층을 제거하고 각 IMU를 면도한 위치 중 하나에 놓습니다. 센서 배치는 현장에서 하지 운동학을 정확하게 추정하기 위한 중요한 단계입니다. 나중에 참조할 수 있도록 IMU 라벨과 해부학적 위치를 기록하고 각 측정 장치에 스트레치 테이프를 부착하여 센서가 피부에 고정되었는지 확인합니다.IMU 센서를 보정하려면 피험자에게 발을 엉덩이 너비로 벌리고 손을 옆구리에 5초 동안 놓고 중립 자세를 유지하도록 지시합니다. 다음으로, 피험자에게 왼쪽 고관절 굴곡에 이어 오른쪽 고관절 굴곡과 허리를 굽히는 동작으로 구성된 보정 절차를 수행하도록 지시합니다. 최소 5초 동안 기다린 후 피험자에게 보정 절차를 반복하도록 합니다.피험자에게 30미터 선형 스프린트 테스트를 시작하기 전에 워밍업 절차를 수행하도록 지시합니다. 실험을 시작하려면, 피험자에게 선호하는 발은 출발선에 서게 하고, 어깨는 출발선 뒤에 서게 한다. 피험자에게 실험 리더가 3부터 0까지 카운트다운을 하고 시작하라고 외칠 것이라고 알립니다.피험자에게 30미터 종점에 도달할 때까지 가능한 한 빨리 질주하도록 지시하고, 30미터 종료 지점이 되면 피험자는 가능한 한 빨리 정지 위치로 감속해야 합니다. 피험자가 질문을 하고 원할 때 연습을 할 수 있도록 합니다. 피험자가 준비되었음을 확인한 후, 피험자가 테스트를 시작하기 전에 피험자가 올바른 시작 위치에 있는지 확인하십시오.시작 신호가 주어지고 피험자가 스프린트 테스트를 시작했을 때 타이머를 시작합니다. 피험자가 전력 질주 중에 최대 성능을 발휘하도록 구두로 격려하고 피험자가 30미터 거리를 주행하면 타이머를 멈춥니다. 각 시도 사이에 2분의 휴식 시간을 포함하고 피험자가 테스트를 두 번 더 반복하도록 합니다.세 번째 시도 후, 피험자에게서 IMU를 분리하기 전에 냉각 절차를 수행하도록 지시합니다. 데이터를 처리하려면 MATLAB을 열고 원시 IMU 데이터 파일을 가져오십시오. 센서 좌표 프레임을 신체 세그먼트에 정렬하려면 데이터 파일의 인덱스 번호를 선택합니다.그런 다음 교정 중 몸통 움직임 데이터의 인덱스 번호와 오른쪽 및 왼쪽 다리의 교정 움직임 데이터의 인덱스 번호를 선택합니다. 이 예에서는 IMU에서 얻은 운동학적 변수가 세그먼트 모델에서 변경을 감지하는 데 사용됩니다. 주제의 운동학적 데이터는 관심 있는 변수로 변경될 수 있습니다.이 그림은 선형 스프린트 테스트 중 하지 운동학적 데이터의 예를 보여줍니다. 피험자에 대한 운동학적 데이터는 피험자가 감속할 때 변경되었습니다. 센서 배치 및 센서 보정은 현장에서 하지 운동학을 추정하기 위한 중요한 단계라는 점을 기억하십시오.우리의 방법을 결합하여, 우리는 일반적으로 사용되는 글로벌 포지셔닝 시스템과 같은 모니터링 시스템을 통해 과학자와 실무자가 운동 선수가 노출되는 훈련 부하를 더 잘 이해할 수 있습니다. 미래에는 우리의 방법이 스마트 의류에 통합될 수 있습니다. 이는 전문가가 교육 및 재활 프로그램을 평가하고 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Behavior

행동

신체 분절의 관성 특성은 역 동성 모델링이 필요합니다. 진동 반응 보드 기술, 아래 - 무릎 보철의 관성 특성을 사용하는 것은 측정 하였다. 보철 다리의 역 동성 모델에 보철물 관성의 직접적인 조치를 사용하면 결과 공동 힘과 모멘트의 낮은, 등급 결과.

아래 - 무릎 보철물의 추정 관성 속성에 대한 진동 및 반응 보드 기술

방문, 하는 동안 낮은 몸 뼈 큰 기계적 부하를 경험 하 고 변형 됩니다. 뼈 변형 영향을 연관 뼈 스트레스 부상의 메커니즘을 이해 하기를 측정 하는 필수적 이다. 새로운 접근 방식은 통합 주제 관련 musculoskeletal 모델링 및 유한 요소 해석 시 동적 tibial 스트레인을 측정 하는 데 사용 됩니다.

동적 동작 중 뼈 변형 연구 주제 관련 근 골격 계 모델

여기서, 우리는 연구 설정에 적합한 수동 운동 (TDPM)의 검출에 임계값을 사용하여 팔꿈치 패시브 운동증의 측정을위한 표준화 된 방법을 제시한다.

팔꿈치 운동성 측정을 위한 표준화된 방법

복엽비행기 비디오 방사선 사진은 높은 정확도로 어깨 운동학을 정량화할 수 있습니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜은 평면 상완골 시 견갑골, 상완골 및 갈비뼈를 추적하도록 특별히 설계되었으며 데이터 수집, 처리 및 분석에 대한 절차를 간략하게 설명합니다. 데이터 수집에 대한 고유한 고려 사항도 설명되어 있습니다.

바이플러나 비디오 방사선 촬영을 사용하여 3D 생체 내 어깨 운동학 측정

이중 형광법은 인간 관절의 생체 내 동적 모션에서 정확하게 캡처하며, 이는 재구성된 해부학(예를 들어, 관절역학)에 비해 시각화될 수 있다. 본 명세서에서는, 일상 생활의 체중 베어링 활동 중에 고관절 관절학을 정량화하는 상세한 프로토콜이 제시되고, 전통적인 피부 마커 모션 캡처와 이중 형광체의 통합을 포함한다.

인 비보 이중 불소시경을 이용한 동적 체중 베어링 활동 중 고관절 관절역학의 정량화

우리는 마우스의 모터 유닛의 기능의 생체 모니터링 허용 정제 프로토콜을 제시한다. 기술 좌골 신경에서 신경 지배 마우스 뒷다리 근육의 복합 근 활동 전위 (CMAP)와 모터 유닛 번호 추정 (무네)을 측정하는 것이 설명된다.

전기 생리 모터 단위 수 추정 (무네) 마우스 뒷다리 근육의 복합 근육 활동 전위 (CMAP)를 측정

위치 또는 힘 피드백으로 동일한 움직임을 제어하면 신경 활성화 및 운동 동작이 달라집니다. 이 프로토콜은 신경근 피로를 관찰하여 행동 변화를 조사하는 방법과 증강 피드백의 해석과 관련하여 하위 임계값 TMS를 사용하여 운동 피질(억제) 활동을 평가하는 방법을 설명합니다.

인간의 힘과 위치 제어 - 증강 피드백의 역할

이 프로토콜은 빨리 물 부족하거나 응답을 시작하는 페이딩 사카린 / 크로스를 필요로하지 않는 표준 방법과 달리, 쥐에서 에탄올에 대한 응답 조건화를 시작하는 새롭고 효율적인 방법을 설명합니다.

물 박탈, 사카린 페이딩 또는 확장 액세스 교육을받지 않은 쥐에 에탄올의 강화 속성을 평가하는 방법

인간의 심리 운동 경계 테스트 (PVT)의 쥐 버전은 관심의 조기 응답 등 성능 정확도, 모터 속도, 인간 경계의 측면, 및 경과 포함한 인간 PVT, 측정 된 것과 유사한 관심의 양상을 측정하고 그 설명된다.

설치류 심리 운동 경계 시험 (rPVT) : 쥐에서 신경 행동 학적 성능을 평가하는 방법

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Aquaria에서 물고기의 생식 생태학 연구를위한 기본 방법

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