Methodenartikel

Een traagheidsmetingseenheid gebaseerde methode om heup- en kniegewrichtskinematica in teamsporters op het veld te schatten

10.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60857

⸱

26 mei 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

Het monitoren van sporters is essentieel voor het verbeteren van de prestaties en het verminderen van blessurerisico's in teamsporten. De huidige methoden om atleten te controleren omvatten niet de onderste ledematen. Het bevestigen van meerdere traagheidsmeeteenheden aan de onderste ledematen kan de monitoring van atleten in het veld verbeteren.

Samenvatting

De huidige sportermonitoringspraktijk in teamsporten is voornamelijk gebaseerd op positionele gegevens gemeten door wereldwijde positionerings- of lokale positioneringssystemen. Het nadeel van deze meetsystemen is dat zij geen kinematica van de onderste extremiteit registreren, wat een nuttige maatregel zou kunnen zijn voor het identificeren van letselrisicofactoren. Snelle ontwikkeling in sensortechnologie kan de beperkingen van de huidige meetsystemen overwinnen. Met traagheidsmeeteenheden (IPU's) die stevig zijn bevestigd aan lichaamssegmenten, sensorfusiealgoritmen en een biomechanisch model, kunnen gewrichtskinematica worden geschat. Het belangrijkste doel van dit artikel is om een sensoropstelling te demonstreren voor het schatten van heup- en kniegewrichtskinematica van teamsporters in het veld. Vijf mannelijke proefpersonen (leeftijd 22,5 ± 2,1 jaar; lichaamsmassa 77,0 ± 3,8 kg; hoogte 184,3 ± 5,2 cm; trainingservaring 15,3 ± 4,8 jaar) voerden een maximale lineaire sprint van 30 meter uit. Heup- en kniegewrichtshoeken en hoeksnelheden werden verkregen door vijf IMUs die op het bekken werden geplaatst, zowel dijen als beide schachten. Heuphoeken varieerden van 195° (± 8°) uitbreiding tot 100,5° (± 8°) flexie- en kniehoeken varieerden van 168,6° (± 12°) minimale flexie en 62,8° (± 12°) maximale flexie. Bovendien varieerde de heuphoeksnelheid tussen 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1) en -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1). De hoeksnelheid van de knie varieerde tussen 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1) en -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1). De sensoropstelling is gevalideerd en kan aanvullende informatie geven met betrekking tot atletenmonitoring in het veld. Dit kan professionals in een dagelijkse sportomgeving helpen om hun trainingsprogramma's te evalueren, met als doel blessures te verminderen en prestaties te optimaliseren.

Inleiding

Teamsporten (bijv. voetbal en veldhockey) worden gekenmerkt door afwisselend korte explosieve acties zoals hardlopen of sprinten met hoge intensiteit, met langere periodes van minder veeleisende activiteiten zoals wandelen of joggen1,2,3,4,5,6. In de afgelopen decennia evolueerden de fysieke eisen van het spel met meer afstand bedekt met hoge snelheid en sprinten, snellere balsnelheden en meer passes7,8.

Atleten trainen voortdurend hard om hun fysieke capaciteit te behouden en te verbeteren om de fysieke eisen van het spel te weerstaan. De juiste toepassing van een trainingsprikkel in combinatie met voldoende herstel leidt tot reacties die leiden tot aanpassing van het menselijk lichaam, verbetering van de conditie en prestaties9. Integendeel, een onbalans tussen een trainingsprikkel en herstel kan leiden tot langdurige vermoeidheid en een ongewenste trainingsrespons (maladaptatie), wat het risico op blessures bij zowel professionele als amateurteamsporters10,11,12,13verhoogt .

Een van de grootste risico's in combinatie met hoge training en wedstrijdprikkels zijn spierspanningsblessures. Spierspanningsblessures vormen meer dan een derde van alle tijdverliesblessures in de teamsport en veroorzaken meer dan een kwart van de totale blessureverzuim, waarbij de hamstrings de meest betrokkenzijn 14,15,16,17. Bovendien stijgt het aantal atleten dat een hamstringblessure oploopt elk jaar18,19, ondanks dat er meerdere programma 's zijn geïntroduceerd om hamstringbelastingsblessures te voorkomen12,13,20,21. Dit heeft dus een negatieve invloed vanuit sportieve22 en financiële23 perspectieven. Een adequate monitoring van individuele sporters is dus essentieel voor het optimaliseren van trainingsschema's, het minimaliseren van blessurerisico's en het optimaliseren van prestaties.

De huidige praktijk voor het monitoren van atleten in teamsporten is voornamelijk gebaseerd op positiegegevens gemeten door lokale of mondiale positioneringssystemen24,25. Deze systemen monitoren de activiteit met GPS-gebaseerde statistieken zoals afgelegde afstand, gemiddelde loopsnelheid of op accelerometrie gebaseerde statistieken zoals PlayerLoad26,27,28. Een nadeel van deze maatregelen is dat ze geen kinematica van de onderste extremiteit bevatten. Opto-elektronische meetsystemen dienen als gouden standaard om een kinematische analyse van de onderste ledematen uit te voeren tijdens een lineaire sprint29,30,31,32. De nadelen van deze systemen zijn een gebrek aan ecologische validiteit vanwege hun beperkte meetgebied, de behoefte van een expert om het systeem te bedienen en de tijdrovende gegevensanalyse. Deze methode is dus niet geschikt voor de dagelijkse sportbeoefening.

Snelle ontwikkeling in sensortechnologie kan de beperkingen van de huidige methoden om atleten te controleren overwinnen. De recente mogelijkheden voor betrouwbaarheid, miniaturisatie en gegevensopslag van traagheidsmeeteenheden (IMU) maken toepassing van sensortechnologie in het veld mogelijk. IMU's bevatten een versnellingsmeter, gyroscoop en magnetometer die de versnelling, hoeksnelheid en magnetisch veld meten, in drie orthogonale assen respectievelijk33,34. Met sensoren die stevig zijn bevestigd aan lichaamssegmenten, sensorfusiealgoritmen en een biomechanisch model, is het mogelijk om gewrichtskinematica33te schatten. De registratie van gewrichtskinematica in combinatie met informatie over de versnelling van verschillende lichaamssegmenten kan de bewaking van atleten in teamsporten verbeteren.

Door de opstelling van de IMU-sensor te koppelen aan een gestandaardiseerde veldtest, kan worden geïllustreerd hoe kinematica van de onderste extremiteit worden geregistreerd tijdens lineair sprinten in het veld, wat een nuttige maatregel kan zijn voor het identificeren van letselrisicofactoren. De sensoropstelling kan aanvullende informatie bieden voor de huidige monitoringmaatregelen die professionals kunnen gebruiken voor het optimaliseren van trainingsschema's om de prestaties te verbeteren en het risico op letsel te minimaliseren. Daarom is het belangrijkste doel van dit artikel om een traagheidssensoropstelling te demonstreren voor het schatten van heup- en kniegewrichtskinematica van teamsporters in het veld.

Protocol

Alle in deze sectie beschreven methoden zijn goedgekeurd door de ethische commissie van het Centrum voor Bewegingswetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen (Registratienummer: 201800904).

1. Veldtest en traagheidsmetingseenheid voorbereiding

  1. Stel twee kegels in op ten minste 1 m van elkaar om het begin van de veldtest te bepalen.
    OPMERKING: De afstand van 1 m tussen de kegels stelt de proefpersoon in staat om gemakkelijk door het beginpunt van de veldtest te rennen. Deze afstand kan worden aangepast aan de voorkeur van de testleider.
  2. Bepaal het eindpunt van de veldtest door meetlint vanaf het beginpunt van de test te rollen tot een lineaire afstand van 30 m is afgelegd.
  3. Stel twee kegels in op ten minste 1 m van elkaar om het eindpunt van de veldtest te bepalen.
  4. Bereid de IPU's voor om goed aan het lichaam van het onderwerp te worden bevestigd.
    OPMERKING: Zie Tabel met materialen voor IMU-afmetingen en gewichtskenmerken.
    1. Snijd stretchtape in 5 stukken ter grootte van 10 cm x 10 cm.
    2. Snijd dubbelzijdig plakband (bijv. toupeetape) in 5 stuks die gelijk zijn aan de grootte van de imu's die worden gebruikt.
    3. Bevestig een stuk dubbelzijdig plakband aan elke IMU.
    4. Label elke IMU, zodat deze individueel kan worden herkend tijdens gegevensanalyse.

2. Onderwerpsvoorbereiding

  1. Informatie verkrijgen over het geslacht, de leeftijd, het lichaamsgewicht en de lengte van het onderwerp. Vraag het onderwerp om een vragenlijst in te vullen over hun achtergrond in teamsporten. Krijg schriftelijke geïnformeerde toestemming van onderwerpen die voldoen aan de inclusiecriteria.
    OPMERKING: Voorbeelden van vragen: (i) Voor hoeveel jaar voetbal je? (ii) Op welk niveau voetbal je? (iii) Hoeveel uur per week heb je de afgelopen 6 maanden voetbaltraining gehad? (iv) Wat is je speelpositie? (v) Heeft u pijn ondervonden of heeft u de afgelopen 6 maanden een musculoskeletale verwonding aan de onderste extremiteit opgelopen?
  2. Bepaal of het onderwerp voldoet aan de inclusiecriteria.
    OPMERKING: Neem proefpersonen op wanneer ze in de 6 maanden voorafgaand aan de uitvoering van het protocol geen musculoskeletale verwondingen of pijn in de onderste ledematen hebben ondervonden; Proefpersonen moeten meer dan 1 jaar ervaring hebben in concurrerende teamsporten op amateurniveau.
  3. Vraag het onderwerp om te veranderen in sportkleding (bijv. een voetbalshirt, voetbalshorts en voetbalschoenen).
    OPMERKING: Omdat er sensoren op het scheenbeen worden geplaatst, zijn voetbalsokken ongewenst.
  4. Bereid de IPU's voor op bevestiging aan het lichaam van de proefpersoon.
    1. Lijn alle 5 IPU's naast elkaar uit.
    2. Activeer alle vijf IPU's tegelijkertijd door op een knop bovenop de sensor te drukken. De sensor wordt geactiveerd wanneer er een groen lampje knippert.
      OPMERKING: Vanaf dit moment bemonstert elke IMU gegevens op 500 Hz. Gegevens worden intern opgeslagen op een SD-kaart. Gegevens moeten worden geüpload naar een laptop of computer nadat de test is voltooid.
    3. Zorg ervoor dat er een mechanische piek is gegenereerd door tegelijkertijd op alle IU's op een hard oppervlak te tikken (bijv. op een tafel).
      OPMERKING: De mechanische piek is nodig voor het synchroniseren van de IMU-signalen. Synchronisatie van de IMU-signalen wordt uitgevoerd tijdens de gegevensverwerking (sectie 5). Dit gedeelte is niet nodig wanneer in de handel verkrijgbare sensoren worden gebruikt. Gebruik in dat geval de bijbehorende software om de sensoren te synchroniseren.
  5. Bevestig de IPU's aan de body van het onderwerp (figuur 1).
    1. Scheer het lichaamshaar van de proefpersoon op de volgende anatomische locaties: in het heiligbeen tussen beide achterste superieure iliacale stekels, het voorste benige deel van zowel het rechter- als het linker scheenbeen en het laterale deel van zowel de rechter- als de linkerdij (d.w.z. tractus illiotibialis).
      OPMERKING: De anatomische plaatsen waar sensoren moeten worden geplaatst, kunnen worden bepaald door palpatie.
    2. Spuit lijmspray op de anatomische plaatsen zoals beschreven in stap 2.5.1. Wacht 5−10 s om er zeker van te zijn dat de lijmspray droog is.
      OPMERKING: Houd de spray minstens 10 cm (4 inch) uit de buurt van de huid en spuit het gewenste gebied met een vegende beweging.
    3. Verwijder de beschermlaag van de dubbelzijdige plakband uit de IU's.
    4. Plaats de IMU op de beschreven anatomische locaties. Noteer de anatomische locatie met het bijbehorende label van de IMU (bijv. rechtersteel: IMU 1).
    5. Bevestig de stretchtape bovenop elke IMU om er zeker van te zijn dat de sensor extra aan de huid is bevestigd.

3. IMU-sensorkalibratie

  1. Instrueer het onderwerp om stil te staan in een neutrale positie met hun voeten heupbreedte uit elkaar en hun handen in hun zij. Behoud deze positie gedurende een minimale periode van 5 s.
  2. Instrueer het onderwerp om zijn linkerheup en knie te buigen tot een hoek van 90° in het sagittale vlak, gevolgd door het verlengen van de heup naar hun neutrale positie zoals beschreven in stap 3.1.
    OPMERKING: Voor definities van kinematische variabelen, zie figuur 2.
  3. Herhaal stap 3.2 voor de rechter heup en knie.
  4. Instrueer de deelnemer om zijn stam naar de grond te buigen en terug te keren naar zijn neutrale positie.
  5. Wacht op een minimale periode van 5 s.
  6. Herhaal stap 3.1−3.5 eenmaal.

4. Voer de lineaire sprinttest van 30 m uit

  1. Instrueer het onderwerp om een warming-up uit te voeren (bijv. het voetbalspecifieke FIFA 11+ opwarmprogramma20).
  2. Informeer de proefpersoon over het testprotocol.
    1. Vermeld duidelijk dat het risico om tijdens de test letsel op te lopen niet groter is dan tijdens de normale training en dat de proefpersoon de test op elk moment kan afbreken, zonder opgaaf van reden.
    2. Instrueer het onderwerp om in de juiste startpositie te staan, met hun favoriete voet op de startlijn en hun schouders achter de startlijn op het veld.
    3. Instrueer het onderwerp dat de testleider van 3 naar 0 zal aftellen, gevolgd door het roepen van 'Start'. Instrueer dat wanneer 'Start' is aangeroepen, de test begint.
    4. Informeer het onderwerp om zo snel mogelijk te sprinten totdat het eindpunt van 30 m is bereikt. Nadat het eindpunt van 30 m is bereikt, moet het onderwerp zo snel mogelijk vertragen tot stilstand.
    5. Laat het onderwerp vragen stellen. Laat het onderwerp indien nodig een oefenrun uitvoeren om het onderwerp vertrouwd te maken met het protocol.
  3. Vraag het onderwerp of de instructies duidelijk waren.
  4. Zorg ervoor dat het onderwerp zich in de juiste startpositie bevindt.
  5. Tel af van '3' naar '0' en roep 'Start' om de test te starten. Start de timer wanneer het startteken is gegeven.
  6. Moedig het onderwerp aan om maximale prestaties te bereiken.
  7. Stop de timer wanneer de deelnemer zijn stilstandpositie heeft bereikt.
  8. Herhaal stap 4.4−4.6 totdat er drie sprints zijn uitgevoerd.
    OPMERKING: Laat de deelnemers minstens 2 minuten rusten tussen de proeven door. Neem de snelste sprint op voor gegevensanalyse.
  9. Instrueer de proefpersoon om af te koelen.
  10. Maak de IPU's los van het onderwerp door de stretchtape en dubbelzijdige plakband uit het lichaam van het onderwerp te verwijderen.

5. Gegevensverwerking

  1. Sluit de IMU aan op een computer met behulp van een USB-kabel. Exporteer de onbewerkte IMU-gegevens naar een specifieke map op de computer.
  2. Open MATLAB (versie r2018b). Importeer de ruwe IMU-gegevensbestanden (d.w.z. versnellingsmeter-, gyroscoop- en magnetometergegevens).
  3. Synchroniseer de onbewerkte IMU-gegevensbestanden.
    1. Importeer het versnellingsgegevensbestand van één sensor (bijv. bekkensensor).
    2. Bereken schokken door de X-, Y- en Z-versnellingssignalen te differentiëren. Vat de X-, Y- en Z-schok samen om de totale schok te verkrijgen.
    3. Verkrijg de mechanische piek door de indexwaarde te vinden in het gegevensbestand waar de totale eikel zijn maximale waarde heeft bereikt. De indexwaarde is het begin van de meting.
    4. Verwijder alle gegevenspunten van de versnellingsgegevens, magnetometergegevens en gyroscoopgegevens vóór de indexwaarde van de sensor.
    5. Herhaal stap 5.3.1−5.3.3 voor elk onbewerkt gegevensbestand van de bijbehorende sensor.
    6. Bepaal welke sensor de laagste hoeveelheid gegevenspunten bevat door het aantal bemonsterde gegevenspunten voor elk gegevensbestand te verkrijgen.
    7. Knip alle andere gegevensbestanden gelijk aan de grootte van de sensor die signalen voor de kortste periode registreerde.
  4. Filter gyroscoopgegevens met behulp van een tweede orde low-pass Butterworth filter met een cutoff frequentie van 12 Hz.
    OPMERKING: Het filter en de specifieke afsluitfrequentie zijn gekozen op basis van visuele gegevensinspectie in eerdere pilotexperimenten.
  5. Verkrijg de sensororiëntatie ten opzichte van het globale aardframe door de oriëntatiegroeven van de sensor te berekenen met behulp van een Madgwick-filter35.
    OPMERKING: Een uitgebreide beschrijving van hoe de sensororiëntatie ten opzichte van het globale aardframe wordt berekend, wordt beschreven in Madgwick et al.35.
  6. Lijn het sensorcoördinatenframe uit op het lichaamssegment.
    1. Selecteer de indexnummers van het gegevensbestand wanneer het onderwerp stilstond tijdens de kalibratie (stap 3.1).
      OPMERKING: Er wordt aangenomen dat de lengteas van de sensor vergelijkbaar is met de zwaartekrachtvector.
    2. Gebruik de indexnummers van stap 5.6.1 om de gemiddelde oriëntatie van elke sensor ten opzichte van het globale referentiekader tijdens de statische kalibratie te berekenen. Draai vervolgens het sensorframe van elke sensor, zodat deze tijdens statische kalibratie wordt uitgelijnd met het globale referentiekader.
    3. Selecteer de indexnummers van het gegevensbestand wanneer de kalibratiebeweging van het linkerbeen is uitgevoerd (stap 3.2).
    4. Draai de richting van de linkerbeensensoren zodanig dat de kalibratiebeweging alleen een rotatie rond de frontale as is.
    5. Herhaal stap 5.6.3 en 5.6.4 voor de kalibratiebewegingen van het rechterbeen en de romp.
  7. Verkrijg gewrichtsoriëntaties door de oriëntatie van het distale lichaamssegment uit te drukken in het coördinatenkader van het proximale segment voor elk gewricht.
  8. Verkrijg gewrichtshoeken door de verkregen gewrichtsoriëntaties te ontbinden in 'XZY' Euler-hoeken.
    OPMERKING: Hoe de verkregen gewrichtsoriëntaties in 'XZY' Euler-hoeken te ontbinden, wordt beschreven in het werk van Diebel36.
  9. Verkrijg gewrichtshoeksnelheden die de gyroscoopsignalen van elk distaal segment uitdrukken in het coördinatenkader van het overeenkomstige proximale segment minus de hoeksnelheid van het proximale segment.
  10. Identificeer elke stap tijdens de lineaire sprint met behulp van een stapdetectiealgoritme.
    1. Importeer de gefilterde gyroscoopgegevens in MATLAB.
    2. Gebruik een piekdetectiefunctie om pieken in het gyroscoopsignaal te identificeren.
      OPMERKING: De piekhoogte werd ingesteld op 286,5 °·s-1 en de minimale piekafstand werd ingesteld op 100 monsters (= 0,2 s).
  11. Bereken voor elke stap de maximale waarde voor heuphoek, kniehoek, heuphoeksnelheid en kniehoeksnelheid.
  12. Bereken voor elke stap de minimumwaarde voor heuphoek, kniehoek, heuphoeksnelheid en kniehoeksnelheid.
  13. Bereken voor elke stap het bewegingsbereik van de heup door de minimale heuphoek af te trekken van de maximale heuphoek.
  14. Bereken voor elke stap het bewegingsbereik van de knie door de minimale kniehoek af te trekken van de maximale kniehoek.
  15. Sla de verwerkte gegevens op in een specifieke map op de computer om deze te gebruiken voor verdere analyse.

6. Data-analyse

  1. Importeer de verwerkte IMU-gegevens in MATLAB.
  2. Verdeel de sprint in een versnelling, een topsnelheid en vertragingsfase op basis van de stappen die zijn geïdentificeerd door het stapdetectiealgoritme.
    OPMERKING: Sprintfasen in dit artikel zijn willekeurig gekozen. De versnellingsfase wordt gedefinieerd als stap 3 tot en met8 37, terwijl de vertragingsfase wordt gedefinieerd als de laatste acht stappen van de sprint. Gegevens over de hoogste snelheid zijn afgeleid van stappen die tussen deze fasen zijn uitgevoerd.
  3. Selecteer de hoeksnelheidsgegevens voor gegevensanalyse.
  4. Bereken de gemiddelde waarden en standaarddeviatie van de kinematische variabelen van alle stappen tijdens elke fase van de lineaire sprinttest van 30 m.
  5. Herhaal stap 6.3 en 6.4 voor de hoekgegevens.

Resultaten

Vijf proefpersonen (alle mannen; alle voetballers; leeftijd 22,5 ± 2,1 jaar; lichaamsmassa 77,0 ± 3,8 kg; hoogte 184,3 ± 5,2 cm; trainingservaring 15,3 ± 4,8 jaar) voerde een maximale lineaire sprint van 30 meter uit. Heuphoeken varieerden tussen 100,5° (± 8°) maximale flexie en 183,1° (± 8°) maximale verlenging tijdens acceleratie, 104,1° (± 8°) maximale flexie en 195° (± 8°) maximale verlenging tijdens topsnelheid, en 128,4° (± 11°) maximale flexie en 171,9° (± 23°) minimale flexie tijdens vertraging. Heuphoeksnelheden varieerden tussen 744,9 °·s-1 (± 154 °·s-1) en –578 °·s-1 (± 99 °·s-1) tijdens acceleratie, 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1) en -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1) tijdens de topsnelheid, en 447,7 °·s-1 (± 255 °·s-1) en -430,3 °·s-1 (± 189 °·s-1) tijdens vertraging.

Bovendien varieerden de kniehoeken tussen 73,5° (± 12°) maximale flexie en 162,6° (± 7°) minimale flexie tijdens acceleratie, 62,8° (± 12°) maximale flexie en 164,8° (± 6°) minimale flexie tijdens topsnelheid, en 81,1° (± 16°) maximale flexie en 168,6° (± 12°) minimale flexie tijdens vertraging. De hoeksnelheid van de knie varieerde tussen 935,8 °·s-1 (± 186 °·s-1) en -1137,8 °·s-1 (± 214 °·s-1) tijdens acceleratie, tussen 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1) en -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1) tijdens de topsnelheid, en 1000,1 °·s-1 (± 282 °·s-1) en -1004,3 °·s-1 (± 324 °·s-1). Figuur 3 illustreert continue kinematische gegevens van één proef van de lineaire sprinttest van 30 m, terwijl figuur 4 en figuur 5 kinematische gegevens van één pascyclus illustreren tijdens acceleratie, topsnelheid en vertraging van één proef.

figure-results-1
Figuur 1: Weergave van de plaatsing van de sensor. (A) Sensorplaatsing op de rechter- en linkersteel. (B) Sensorplaatsing op het bekken en rechter- en linkerdij. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Definities voor heup- en kniegewrichtshoeken en hoeksnelheden. (A) Weergave van de neutrale positie in het sagittale vlak. Gewrichtshoeken in neutrale positie zijn 180°. (B) Weergave van het heupgewricht (θ heup), kniegewricht (θ knie) en bewegingsbereik (ROM). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Visualisatie van sprintkinematica van één proef tijdens acceleratie, topsnelheid en vertragende fase. Een asterix geeft aan wanneer een stap is gedetecteerd. (A) Linker en rechter heup flexie en extensie hoeken in de loop van de tijd. (B) Linker en rechter heup hoeksnelheden in de loop van de tijd. (C) Linker- en rechterkniehoeken in de loop van de tijd. (D) Linker- en rechterknie hoeksnelheden in de loop van de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Poolplot waarin heupgewrichtshoek (°) en hoeksnelheden (flexie/extensie) van één stap worden geïllustreerd tijdens acceleratie, topsnelheid en vertraging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5: Poolplot waarin kniegewrichtshoek (°) en hoeksnelheden (flexie/verlenging) van één stap worden geïllustreerd tijdens acceleratie, topsnelheid en vertraging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

De huidige methoden om atleten in teamsporten te controleren registreren geen kinematica van de onderste extremiteit, wat een nuttige maatregel zou kunnen zijn voor het identificeren van letselrisicofactoren. De gouden standaard voor het analyseren van kinematica van de onderste extremiteit tijdens het sprinten zijn opto-elektronische meetsystemen29,30,31,32. Hoewel opto-elektronische meetsystemen als gouden standaard dienen, missen deze systemen ecologische validiteit vanwege hun beperkte meetgebied. De sensoropstelling in dit artikel overwint de beperkingen van de huidige meetsystemen en is relatief goedkoop. De mogelijkheid om kinematica van de onderste extremiteit in het veld te registreren, gemeten door de sensoropstelling, kan de training van atleten verbeteren.

Eerdere studies die sprintkinematicaonderzochten 29,31,37,38,39 rapporteerden heuphoeken variërend van 210° uitbreiding tot 90° flexie. Bovendien rapporteerden deze studies kniehoeken variërend van 160° minimale flexie en 40° maximale flexie. De waarden die in deze studie worden waargenomen, liggen binnen het eerder gerapporteerde bereik. Eén studie38 rapporteerde heuphoeksnelheden variërend van -590 °·s-1 tot 700 °·s-1 en kniehoeksnelheden variërend van -1.000 °·s-1 tot 1.100 °·s-1. Hoewel de waarden die in deze studie werden waargenomen hoger waren, vertonen ze in de loop van de tijd een vergelijkbare trend. De methode is gevalideerd en kan worden gebruikt voor atletenmonitoring in veld40.

De huidige studie heeft enkele beperkingen die moeten worden aangepakt. In de eerste plaats moeten gebruikers, afgezien van de kenmerken van de gebruikte IU 's, zich ervan bewust zijn dat de signalen van de IU 's worden beïnvloed door verschillende foutbronnen die het mogelijke bereik van toepassingen beperken41. Ten eerste kan de oscillatie van de zachte weefsels rond de botten (d.w.z. weke delen artefacten42) de registratie van kinematica beïnvloeden. Om deze reden is het belangrijk om de IPU's zorgvuldig aan het lichaam van het onderwerp te koppelen volgens de stappen die in het protocol worden beschreven. Hoewel de nodige stappen werden ondernomen, moet worden opgemerkt dat de huidige studie geen extra elastische riemen bevatte om onjuiste sensorbewegingen te voorkomen. Dit zou de resultaten kunnen verbeteren en kan worden gezien als een beperking van deze studie. Ten tweede veranderen ferromagnetische storingen van andere apparaten (voornamelijk in gebouwen) de grootte of richting van de gemeten magnetische veldvector van de magnetometer van de IMU, waardoor fouten in de geschatte oriëntatie43worden veroorzaakt. Daarom moeten bronnen van ferromagnetische verstoring zoveel mogelijk worden vermeden. Bovendien moet worden opgemerkt dat de sensoropstelling niet van toepassing is op schuif tackles, omdat de sensoren loskomen van de huid als gevolg van het maken van contact met het grondoppervlak. Deelnemers moeten dus worden geïnstrueerd om geen sliding tackles uit te voeren tijdens kleine sided games. Een mogelijke oplossing voor dit probleem zou kunnen zijn om de sensoropstelling te integreren in slimme kleding (d.w.z. een Smart Sensor Tights).

De kinematische variabelen verkregen door de sensoropstelling kunnen worden gebruikt in een segmentaal model om atleten in het veld te volgen. Eerder onderzoek vond verminderde maximale gecombineerde heupflexie en knieverlengingshoek (d.w.z. theoretische hamstringlengte) na elke helft van een voetbalwedstrijdsimulatie44. In dezelfde studie is een toename van de hoeksnelheid van de schacht waargenomen tijdens de uiteinden van elke helft. De lagere hamstringlengte in combinatie met een verhoogde schachtsnelheid kan wijzen op een verhoogd risico op overmatige hamstringbelasting na vermoeidheid. Dergelijke veranderingen in sprintkinematica kunnen in een veldinstelling worden gedetecteerd met behulp van een IMU-aangedreven segmentaal model (Inertial Measurement Unit). Naast veranderingen in gewrichtskinematica kunnen krachten die op het lichaam als geheel werken ook worden geschat. Grondreactiekrachten (GRF) beschrijven de biomechanische belasting die wordt ervaren door het totale bewegingsapparaat en kunnen worden geschat met behulp van newtons tweede bewegingswet (d.w.z. F = m · a). Huidig onderzoek naar het hardlopen gebruikte GRF-schatting om sprintprestaties45,46 te optimaliseren of potentieel letselrisico47,48,49,50te beoordelen . Deze studies suggereren dat belastingssnelheden, verticale impactkrachtpieken en horizontale breekkracht verband houden met letsels bij overmatig gebruik van het bewegingsapparaat. Hoewel het een uitdaging is om GRF nauwkeurig in te schatten tijdens zeer dynamische teamsportspecifieke bewegingen51,52, zou de mogelijkheid om deze variabelen te monitoren tijdens metingen op het veld nieuwe informatie kunnen bieden om de prestaties te optimaliseren of blessures te voorkomen.

De resultaten in dit artikel zijn beperkt tot het monitoren van kinematica van de onderste extremiteit tijdens een lineaire sprint, gericht op hamstringspanningsletselmechanisme. Er moet echter worden opgemerkt dat heup- en liesblessures ook vaak voorkomen in teamsporten14,17,53,54,55. Deze verwondingen worden waarschijnlijk veroorzaakt door herhaalde betrokkenheid van schoppen en verandering van richting. Toekomstig onderzoek moet dus niet alleen hun focus op sprinten in relatie tot het hamstringblessuremechanisme beperken, maar ook gericht zijn op het uitbreiden van kennis over richtingsveranderingstaken56 en schoppen57,58,59 in relatie tot heup- en liesblessures.

Tot slot kan deze sensoropstelling worden geïntegreerd in slimme kledingstukken. Slimme kledingstukken kunnen het mogelijk maken om kinematica van lagere ledematen in het veld te registreren tijdens teamsportspecifieke taken, wat de monitoring van atleten in de toekomst zou kunnen verbeteren. Dit kan professionals in een dagelijkse sportomgeving helpen om hun trainingsprogramma's te evalueren en te optimaliseren, met als doel het blessurerisico te verminderen.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs willen graag de financieringsbronnen van nwo erkennen. Verder willen de auteurs de Koninklijke Voetbalbond (KNVB) dankbaar erkennen voor het faciliteren van het onderzoeksprogramma door toegang te geven tot hun onderzoeksfaciliteiten. Tot slot willen de auteurs Thijs Wiggers gelukkig erkennen voor zijn bijdrage aan het onderzoeksprogramma.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Computer softwareThe MathWorks, Inc., Natick, MA, USAMatlab Version 2018b
ConesNiken = 4
Dubbelzijdig plakbandVoor het bevestigen van IMU's op de huid
Inertiale meeteenhedenMPU-9150, Invensense, San Jose, California, Verenigde Statenn = 5; Afmetingen: 3,5 x 2,5 x 1,0 cm; Gewicht: 0,011 kg; Samplefrequentie: 500Hz; Versneller: ± 16 G, Gyroscoop: ± 2000 °/s
MeetlintMinimale lengte: 30 meter
Pre-tape sprayMueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., Wisconsin, Verenigde StatenInhoud: 283 g
Stretch TapeFixomull, BSN Medical, Almere, Nederland

Referenties

  1. Bradley, P. S., et al. High-intensity running in English FA Premier League soccer matches. Journal of Sports Sciences. 27 (2), 159-168 (2009).
  2. Di Salvo, V., et al. Performance characteristics according to playing position in elite soccer. International Journal of Sports Medicine. 28 (3), 222-227 (2007).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Smith, D. J. A framework for understanding the training process leading to elite performance. Sports Medicine. 33 (15), 1103-1126 (2003).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Ekstrand, J., Hagglund, M., Walden, M. Epidemiology of muscle injuries in professional football (soccer). American Journal of Sports Medicine. 39 (6), 1226-1232 (2011).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Jones, A., et al. Epidemiology of injury in English Professional Football players: A cohort study. Physical Therapy in Sport. 35, 18-22 (2019).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Thelen, D. G., et al. Hamstring muscle kinematics during treadmill sprinting. Medicine & Science in Sports & Exercise. 37 (1), 108-114 (2005).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Diebel, J. Representing Attitude: Euler Angles, Unit Quaternions, and Rotation Vectors. Matrix. 58 (15-16), 1-35 (2006).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Wilmes, E., et al. Inertial Sensor-Based Motion Tracking in Football with Movement Intensity Quantification. Sensors (Basel). 20 (9), (2020).
  41. 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).
  42. Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. Hreljac, A. Impact and overuse injuries in runners. Medicine & Science in Sports & Exercise. 36 (5), 845-849 (2004).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. 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).
  53. 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).
  54. 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).
  55. 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).
  56. 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).
  57. 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).
  58. 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).
  59. 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).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Sensorfusiebiomechanisch modelheup en kniehoekenhoeksnelheidsensorplaatsingkalibratieprocedure30 meter sprint

Gerelateerde artikelen