Name: Um método baseado em unidade de medição inercial para estimar a cinemática da articulação do quadril e do joelho em atletas de esporte de equipe em campo (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 52 s
Description: Aprenda a usar unidades de medição inercial para estimar a cinemática do quadril e joelho em atletas de esportes coletivos. Este método reduz lesões musculares e otimiza o desempenho atlético.

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Os autores gostariam, felizmente, de reconhecer as fontes de financiamento fornecidas pela Organização Nacional de Pesquisa Holandesa (NWO). Além disso, os autores gostariam de agradecer a Associação Real holandesa de Futebol (KNVB) por facilitar o programa de pesquisa, dando acesso às suas instalações de pesquisa. Por fim, os autores gostariam, felizmente, de reconhecer Thijs Wiggers por sua contribuição ao programa de pesquisa.

Todos os métodos descritos nesta seção foram aprovados pelo comitê de ética do Centro de Ciências do Movimento Humano da Universidade de Groningen (Número de registro: 201800904).
1. Teste de campo e preparação da unidade de medição inercial
<ol><li>Defina dois cones pelo menos 1 m um do outro para determinar o início do teste de campo. NOTA: A distância de 1 m entre os cones permite que o sujeito corra facilmente através do ponto de partida do teste de campo. Essa distância pode ser ajustada à preferência do líder do teste.</li>
	<li>Determine o ponto final do teste de campo rolando fita métrica do ponto de partida do teste até que uma distância linear de 30 metros tenha sido percorrida.</li>
	<li>Defina dois cones pelo menos 1 m um do outro para determinar o ponto final do teste de campo.</li>
	<li>Prepare o IMUs para se apegar adequadamente ao corpo do sujeito. NOTA: Consulte tabela de materiais para obter dimensões e características de peso da IMU.<ol>
<li>Corte a fita elástica em 5 pedaços do tamanho de 10 cm x 10 cm.</li>
		<li>Corte fita adesiva de dois lados (por exemplo, fita de peruca) em 5 peças iguais ao tamanho das IMUs que são usadas.</li>
		<li>Conecte um pedaço de fita adesiva de dois lados a cada IMU.</li>
		<li>Rotule cada IMU, para que possa ser reconhecido individualmente durante a análise de dados.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Preparação do assunto
<ol><li>Obtenha informações sobre o sexo, idade, peso corporal e altura do sujeito. Peça ao sujeito para preencher um questionário sobre sua formação em esportes em equipe. Obter consentimento por escrito informado de sujeitos que atendam aos critérios de inclusão. NOTA: Exemplos de perguntas: (i) Por quantos anos você joga futebol? (ii) Em que nível você joga futebol? (iii) Quantas horas por semana você tem treinamento de futebol nos últimos 6 meses? (iv) Qual é a sua posição de jogo? v Você sentiu alguma dor ou sofreu uma lesão musculoesquelético na extremidade inferior nos últimos 6 meses?</li>
	<li>Determine se o sujeito atende aos critérios de inclusão. NOTA: Inclua os sujeitos quando não sofrerem lesões musculoesqueléticos ou dor nas extremidades inferiores nos 6 meses anteriores à execução do protocolo; Os sujeitos devem ter mais de 1 ano de experiência em esportes em equipe competindo em nível amador.</li>
	<li>Peça ao assunto para se vestir em roupas esportivas (por exemplo, uma camisa de futebol, shorts de futebol e sapatos de futebol). NOTA: Como os sensores serão colocados na tíbia, as meias de futebol são indesejadas.</li>
	<li>Prepare o IMUs para anexar ao corpo do sujeito.<ol>
<li>Alinhe todos os 5 IMUs um ao lado do outro.</li>
		<li>Ative todos os cinco IMUs ao mesmo tempo apertando um botão na parte superior do sensor. O sensor é ativado quando uma luz verde está piscando. NOTA: A partir deste momento, cada IMU amostra dados a 500 Hz. Os dados são armazenados em um cartão SD internamente. Os dados devem ser carregados em um laptop ou computador depois que o teste tiver sido concluído.</li>
		<li>Certifique-se de que um pico mecânico tenha sido gerado tocando todas as IMUs em uma superfície dura ao mesmo tempo (por exemplo, sobre uma mesa). NOTA: O pico mecânico é necessário para sincronizar os sinais de IMU. A sincronização dos sinais de IMU é realizada durante o processamento de dados (seção 5). Esta seção não é necessária quando os sensores disponíveis comercialmente são usados. Nesse caso, use o software correspondente para sincronizar os sensores.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Anexar o IMUs ao corpo do sujeito(Figura 1).<ol>
<li>Raspar os pelos do corpo do sujeito nos seguintes locais anatômicos: no sacro entre as duas espinhas ilícas superiores posteriores, a parte óssea anteromedial da tíbia direita e esquerda, e a parte lateral da coxa direita e esquerda (ou seja, tractus illiotibialis). NOTA: Os locais anatômicos onde os sensores devem ser colocados podem ser determinados por palpação.</li>
		<li>Spray de spray de adesivo nos locais anatômicos descritos na etapa 2.5.1. Aguarde 5-10 s para ter certeza de que o spray adesivo está seco. NOTA: Segure o spray a pelo menos 10 cm (4 polegadas) de distância da pele e pulverize a área desejada com um movimento de varredura.</li>
		<li>Remova a camada protetora da fita adesiva de dois lados das IMUs.</li>
		<li>Coloque o IMU nos locais anatômicos descritos. Anote o local anatômico com o rótulo correspondente do IMU (por exemplo, haste direita: IMU 1).</li>
		<li>Conecte a fita de alongamento na parte superior de cada IMU para garantir que o sensor esteja adicionalmente fixado à pele.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Calibração do sensor IMU
<ol><li>Instrua o sujeito a ficar parado em uma posição neutra com os pés de largura do quadril separados e as mãos ao lado. Mantenha esta posição por um período mínimo de 5 s.</li>
	<li>Instrua o sujeito a flexionar o quadril esquerdo e o joelho para um ângulo de 90° no plano sagital seguido de estender o quadril à sua posição neutra, conforme descrito na etapa 3.1. NOTA: Para definições de variáveis cinemáticas, consulte Figura 2.</li>
	<li>Repita o passo 3.2 para o quadril direito e joelho.</li>
	<li>Instrua o participante a flexionar o tronco em direção ao solo e retornar à sua posição neutra.</li>
	<li>Aguarde um período mínimo de 5 s.</li>
	<li>Repita as etapas 3.1−3.5 uma vez.</li>
</ol>4. Execute o teste de sprint linear de 30 metros
<ol><li>Instrua o sujeito a realizar um aquecimento (por exemplo, o programa de aquecimento 11+ aquecimento específico do futebol20).</li>
	<li>Informe o assunto sobre o protocolo de teste.<ol>
<li>Claramente afirmam que o risco de sofrer uma lesão durante o teste não é maior do que durante o treinamento normal e que o sujeito pode abortar o teste a qualquer momento, sem dar qualquer razão.</li>
		<li>Instrua o sujeito a ficar na posição inicial correta, com seu pé preferido na linha de partida e seus ombros atrás da linha de partida no campo.</li>
		<li>Instrua o assunto que o líder do teste irá contar de 3 para 0 seguido de gritos de "Start". Instrua que quando 'Iniciar' for chamado, o teste começa.</li>
		<li>Informe o sujeito para correr o mais rápido possível até que o ponto final de 30 m tenha sido alcançado. Após o ponto de chegada dos 30m, o sujeito tem que desacelerar o mais rápido possível para uma posição de paralisação.</li>
		<li>Deixe o sujeito fazer perguntas. Se necessário, permita que o sujeito realize uma prática para familiarizar o assunto com o protocolo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Pergunte ao assunto se as instruções foram claras.</li>
	<li>Certifique-se de que o sujeito está na posição inicial correta.</li>
	<li>Conte de '3' para '0' e grite "Start" para iniciar o teste. Inicie o temporizador quando o sinal de partida tiver sido dado.</li>
	<li>Incentivar o assunto a fim de alcançar o desempenho máximo.</li>
	<li>Pare o temporizador quando o participante tiver alcançado sua posição de paralisação.</li>
	<li>Repetimos as etapas 4.4-4.6 até que três sprints tenham sido realizados. NOTA: Deixe os participantes descansarem por pelo menos 2 minutos entre os ensaios. Inclua o sprint mais rápido para análise de dados.</li>
	<li>Instrua o sujeito a realizar um resfriamento.</li>
	<li>Retire os IMUs do sujeito removendo a fita adesiva e a fita adesiva dupla do corpo do sujeito.</li>
</ol>5. Processamento de dados
<ol><li>Conecte o IMU com um computador usando um cabo USB. Exporte os dados brutos do IMU para uma pasta específica no computador.</li>
	<li>Abra o MATLAB (versão r2018b). Importar os arquivos de dados brutos da IMU (ou seja, acelerômetro, giroscópio e dados do magnetômetro).</li>
	<li>Sincronizar os arquivos de dados IMU brutos.<ol>
<li>Importe o arquivo de dados de aceleração de um sensor (por exemplo, sensor pélvis).</li>
		<li>Calcule o jerk diferenciando os sinais de aceleração X, Y e Z. Resumindo o X, Y e Z para obter o total.</li>
		<li>Obtenha o pico mecânico encontrando o valor do índice no arquivo de dados onde o total atingiu seu valor máximo. O valor do índice é o início da medição.</li>
		<li>Exclua todos os pontos de dados dos dados de aceleração, dados do magnetômetro e dados do giroscópio antes do valor do índice do sensor.</li>
		<li>Repetir as etapas 5.3.1−5.3.3 para cada arquivo de dados bruto do sensor correspondente.</li>
		<li>Determine qual sensor contém a menor quantidade de pontos de dados obtendo o número de pontos de dados amostrados para cada arquivo de dados.</li>
		<li>Corte todos os outros arquivos de dados iguais ao tamanho do sensor que registrou sinais pelo menor período de tempo.</li>
	</ol></li>
	<li>Filtrar dados de giroscópio usando um filtro Butterworth de segunda ordem com uma frequência de corte de 12 Hz. NOTA: O filtro e a frequência de corte específica foram escolhidos com base na inspeção de dados visuais em experimentos piloto anteriores.</li>
	<li>Obtenha orientação do sensor em relação ao quadro de terra global calculando o quaternion de orientação do sensor usando um filtro Madgwick35. NOTA: Uma extensa descrição de como a orientação do sensor em relação ao quadro de terra global é calculada é descrita em Madgwick et al.35.</li>
	<li>Alinhe o quadro de coordenadas do sensor ao segmento do corpo.<ol>
<li>Selecione os números de índice do arquivo de dados quando o sujeito estava parado durante a calibração (etapa 3.1). NOTA: Presume-se que o eixo longitudinal do sensor é semelhante ao vetor de gravidade.</li>
		<li>Use os números do índice da etapa 5.6.1 para calcular a orientação média de cada sensor em relação ao quadro de referência global durante a calibração estática. Em seguida, gire o quadro do sensor de cada sensor, de modo que ele se alinhe com o quadro de referência global durante a calibração estática.</li>
		<li>Selecione os números de índice do arquivo de dados quando o movimento de calibração da perna esquerda foi realizado (etapa 3.2).</li>
		<li>Gire a orientação dos sensores da perna esquerda de tal forma que o movimento de calibração seja uma rotação apenas sobre o eixo frontal.</li>
		<li>Repita as etapas 5.6.3 e 5.6.4 para os movimentos de calibração da perna direita e do tronco.</li>
	</ol></li>
	<li>Obtenha orientações articulares expressando a orientação do segmento do corpo distal no quadro de coordenadas do segmento proximal para cada articulação.</li>
	<li>Obtenha ângulos articulares decomposição das orientações articulares obtidas em ângulos euler 'XZY'. NOTA: Como decompor as orientações articulares obtidas em ângulos 'XZY' Euler é descrito no trabalho de Diebel36.</li>
	<li>Obtenha velocidades angulares conjuntas expressando os sinais giroscópios de cada segmento distal no quadro de coordenadas de seu segmento proximal correspondente menos a velocidade angular do segmento proximal.</li>
	<li>Identifique cada passo durante o sprint linear usando um algoritmo de detecção de etapas.<ol>
<li>Importe os dados do giroscópio filtrado no MATLAB.</li>
		<li>Use uma função de detecção de pico para identificar picos no sinal giroscópio. NOTA: A altura máxima foi fixada em 286,5 °·s-1 e a distância mínima de pico foi definida em 100 amostras (= 0,2 s).</li>
	</ol></li>
	<li>Para cada etapa, calcule o valor máximo para ângulo do quadril, ângulo do joelho, velocidade angular do quadril e velocidade angular do joelho.</li>
	<li>Para cada etapa, calcule o valor mínimo para ângulo do quadril, ângulo do joelho, velocidade angular do quadril e velocidade angular do joelho.</li>
	<li>Para cada etapa, calcule a amplitude de movimento do quadril subtraindo o ângulo mínimo do quadril do ângulo máximo do quadril.</li>
	<li>Para cada etapa, calcule a amplitude de movimento do joelho subtraindo o ângulo mínimo do joelho do ângulo máximo do joelho.</li>
	<li>Salve os dados processados em uma pasta específica no computador, a fim de usá-los para análise suplementar.</li>
</ol>6. Análise de dados
<ol><li>Importar os dados de IMU processados no MATLAB.</li>
	<li>Divida o sprint em uma aceleração, uma fase de velocidade máxima e desaceleração com base nas etapas identificadas pelo algoritmo de detecção de etapas. NOTA: As fases de sprint deste artigo foram escolhidas arbitrariamente. A fase de aceleração é definida como etapa 3 a8 37,enquanto a fase de desaceleração é definida como as últimas oito etapas do sprint. Os dados de velocidade máxima foram derivados das etapas realizadas entre essas fases.</li>
	<li>Selecione os dados de velocidade angular para análise de dados.</li>
	<li>Calcule os valores médios e o desvio padrão das variáveis cinemáticas de todas as etapas durante cada fase do teste linear de sprint de 30 metros.</li>
	<li>Repita os passos 6.3 e 6.4 para os dados angulares.</li>
</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Os métodos atuais para monitorar atletas em esportes em equipe não registram cinemática de extremidade inferior, o que pode ser uma medida útil para identificar fatores de risco de lesões. O padrão-ouro para analisar a cinemática da extremidade inferior durante a corrida são os sistemas de medição optoeletrônica29,30,31,32. Embora os sistemas de medição optoeletrônica sirvam como padrão-ouro, esses sistemas não têm validade ecológica devido à sua área de medição restrita. A configuração do sensor apresentada neste artigo supera as limitações dos sistemas de medição atuais, e é relativamente barata. A possibilidade de registrar cinemática de extremidade inferior no campo, medida pela configuração do sensor, pode melhorar a prática de monitoramento de atletas.
Estudos anteriores que examinaram a cinemática de sprint29,31,37,38,39 relataram ângulos de quadril que variam de extensão de 210° a flexão de 90°. Além disso, esses estudos relataram ângulos de joelho que variam de flexão mínima de 160° e flexão máxima de 40°. Os valores observados neste estudo estão dentro da faixa relatada anteriormente. Um estudo38 relatou velocidades angulares do quadril variando de -590 °·s-1 a 700 °·s-1 e velocidades angulares do joelho variando de -1.000 °·s-1 a 1.100 °·s-1. Embora os valores observados neste estudo tenham sido maiores, eles apresentam tendência semelhante ao longo do tempo. O método foi validado e pode ser utilizado para monitoramento de atletas no campo40.
O presente estudo tem algumas limitações que precisam ser abordadas. Em primeiro lugar, além das características das IMUs utilizadas, os usuários devem estar cientes de que os sinais derivados das IMUs são afetados por várias fontes de erro que limitam o possível intervalo de aplicações41. Primeiro, a oscilação dos tecidos moles ao redor dos ossos (ou seja, artefatos de tecido mole42) pode afetar o registro de cinemática. Por essa razão, é importante fixar cuidadosamente as IMUs ao corpo do sujeito de acordo com as etapas descritas no protocolo. Embora tenham sido tomadas medidas necessárias, deve-se notar que o presente estudo não incluiu correias elásticas extras para evitar o movimento errôneo do sensor. Isso poderia melhorar os resultados e pode ser visto como uma limitação deste estudo. Em segundo lugar, distúrbios ferromagnéticos de outros dispositivos (principalmente dentro de edifícios) alteram a magnitude ou direção do vetor de campo magnético medido do magnetômetro do IMU, causando erros na orientação estimada43. Portanto, as fontes de perturbação ferromagnética devem ser evitadas tanto quanto possível. Além disso, deve-se notar que a configuração do sensor não é aplicável a tackles deslizantes, uma vez que os sensores se desprenderão da pele como resultado de fazer contato com a superfície do solo. Assim, os participantes devem ser instruídos a não executar tackles deslizantes durante pequenos jogos laterais. Uma possível solução para este problema pode ser integrar a configuração do sensor em roupas inteligentes (ou seja, uma meia-calça de sensor inteligente).
As variáveis cinemáticas obtidas pela configuração do sensor poderiam ser utilizadas em um modelo segmentar para monitorar atletas em campo. Pesquisas anteriores encontraram redução da flexão máxima combinada do quadril e ângulo de extensão do joelho (ou seja, comprimento teórico do tendão) após cada metade de uma simulação de partida de futebol44. No mesmo estudo, observou-se um aumento na velocidade angular da haste durante as extremidades de cada metade. O comprimento do tendão inferior combinado com uma velocidade aumentada da haste pode indicar um risco aumentado de tensão excessiva do tendão após a fadiga. Tais alterações na cinemática de corrida podem ser detectadas em um ajuste de campo usando um modelo segmental orientado por uma unidade de medição inercial (IMU). Além de mudanças na cinemática articular, forças que atuam no corpo como um todo também podem ser estimadas. As forças de reação terrestre (GRF) descrevem o carregamento biomecânico experimentado pelo sistema musculoesquelético total, e podem ser estimadas usando a segunda lei de movimento de Newton (ou seja, F = m · a). A pesquisa atual em execução utilizou a estimativa da GRF para otimizar o desempenho do sprint45,46 ou avaliar o risco potencial de lesão47,48,49,50. Esses estudos sugerem que as taxas de carregamento, picos de força de impacto vertical e força de ruptura horizontal estão relacionados a lesões de uso excessivo musculoesqueléticos. Embora seja um desafio estimar a GRF com precisão durante movimentos específicos de esporte de equipe altamentedinâmicos 51,52, a possibilidade de monitorar essas variáveis durante as medições no campo poderia fornecer novas informações para otimizar o desempenho, ou para prevenir lesões.
Os resultados apresentados neste artigo limitam-se ao monitoramento da cinemática da extremidade inferior durante um sprint linear, com foco no mecanismo de lesão por tensão no tendão. No entanto, deve-se notar que lesões no quadril e na virilha também ocorrem com frequência nos esportes em equipe14,17,53,54,55. Essas lesões provavelmente são causadas pelo envolvimento repetitivo de chutes e mudança de direção. Assim, pesquisas futuras não devem apenas limitar seu foco em correr em relação ao mecanismo de lesão do tendão, mas também focar na expansão do conhecimento sobre a mudança de direção tarefas56 e chute57,58,59 em relação com lesões de quadril e virilha.
Para concluir, esta configuração do sensor pode ser integrada em roupas inteligentes. Roupas inteligentes podem permitir registrar cinemática de extremidades inferiores no campo durante tarefas específicas do esporte em equipe, o que poderia melhorar o monitoramento dos atletas no futuro. Isso pode ajudar os profissionais em um ambiente esportivo diário a avaliar seus programas de treinamento e otimizá-los, visando reduzir o risco de lesões.

Os esportes em equipe (por exemplo, futebol e hóquei em campo) são caracterizados por ações explosivas alternadas, como corrida ou corrida de alta intensidade, com períodos mais longos de atividades menos exigentes como caminhar ou correr1,2,3,4,5,6. Ao longo das últimas décadas, as demandas físicas do jogo evoluíram com mais distância coberta em alta velocidade e sprint, velocidades de bola mais rápidas e mais passes7,8.
Os atletas treinam constantemente para manter e melhorar sua capacidade física para suportar as demandas físicas do jogo. A aplicação correta de um estímulo de treinamento em combinação com recuperação suficiente induz respostas que levam à adaptação do corpo humano, melhorando o condicionamento físico e o desempenho9. Pelo contrário, um desequilíbrio entre um estímulo de treinamento e recuperação pode levar a fadiga prolongada e uma resposta de treinamento indesejável (má aceitação), o que aumenta o risco de lesões em atletas profissionais e amadores de equipe10,11,12,13.
Um dos principais riscos acompanhados de alto treinamento e estímulos de partida são lesões de tensão muscular. Lesões por tensão muscular constituem mais de um terço de todas as lesões em tempo de perda de tempo nos esportes em equipe e causam mais de um quarto da ausência total de lesões, sendo os tendões os mais frequentemente envolvidos14,15,16,17. Além disso, o número de atletas que sofrem uma lesão no tendão aumenta a cada ano18,19, apesar de vários programas terem sido introduzidos para evitar lesões no tendão12,13,20,21. Consequentemente, isso tem influência negativa dasperspectivas esportivas 22 e financeiras23. Assim, o monitoramento adequado de atletas individuais é essencial para otimizar os horários de treinamento, minimizar o risco de lesões e otimizar o desempenho.
A prática atual de monitoramento de atletas em esportes em equipe baseia-se principalmente nos dados de posição medidos pelos sistemas de posicionamento locais ou globais24,25. Esses sistemas monitoram a atividade com métricas baseadas em GPS, como distância coberta, velocidade média de corrida ou métricas baseadas em accelerometria, como PlayerLoad26,27,28. Uma desvantagem dessas medidas é que elas não incluem cinemática de extremidade inferior. Os sistemas de medição optoeletrônica servem como padrão-ouro para realizar uma análise cinemática das extremidades inferiores durante um sprint linear29,30,31,32. As desvantagens desses sistemas são a falta de validade ecológica devido à sua área de medição restrita, à necessidade de um especialista para operar o sistema e à análise demorada dos dados. Assim, este método não é adequado para a prática esportiva diária.
O rápido desenvolvimento da tecnologia de sensores pode superar as limitações dos métodos atuais para monitorar atletas. As recentes possibilidades de confiabilidade, miniaturização e armazenamento de dados de unidades de medição inerciais (IMU) permitem a aplicação em campo da tecnologia de sensores. Os IMUs contêm um acelerômetro, giroscópio e magnetômetro que medem a aceleração, a velocidade angular e o campo magnético, em três eixos ortogonais,respectivamente 33,34. Com sensores fixados com segurança em segmentos corporais, algoritmos de fusão de sensores e um modelo biomecânico, é possível estimar a cinemática articular33. O registro de cinemática conjunta em combinação com informações sobre a aceleração de diferentes segmentos corporais pode melhorar o monitoramento de atletas em esportes em equipe.
Ao acoplar a configuração do sensor IMU a um teste de campo padronizado, pode-se ilustrar como a cinemática da extremidade inferior é registrada durante a corrida linear no campo, o que pode ser uma medida útil para identificar fatores de risco de lesões. A configuração do sensor poderia fornecer informações adicionais às medidas atuais de monitoramento que os profissionais podem usar para otimizar os horários de treinamento para melhorar o desempenho e minimizar o risco de lesões. Portanto, o principal objetivo deste artigo é demonstrar uma configuração de sensor inercial para estimar a cinemática das articulações do quadril e joelho dos atletas do esporte em equipe no campo.

<table><tbody><tr><td>Software de computador</td><td>The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA</td><td></td><td>Versão Matlab 2018b</td></tr><tr><td>Cones</td><td>Nike</td><td></td><td>n = 4</td></tr><tr><td>Fita</td><td></td><td></td> adesiva dupla face <td>Para fixar IMUs na pele</td></tr><tr><td>Unidades de Medição Inercial</td><td>MPU-9150, Invensense, San Jose, Califórnia, Estados Unidos</td><td></td><td>n = 5; Dimensões: 3,5 x 2,5 x 1,0 cm; Peso: 0,011 kg; Frequência da amostra: 500Hz; Acelerômetro: &plusmn; 16 G, Giroscópio: &plusmn; 2000 μ/s</td></tr><tr><td>Fita</td><td></td><td></td> métrica <td>Comprimento mínimo: 30 metros</td></tr><tr><td>Spray pré-fita</td><td>Mueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., Wisconsin, Estados Unidos</td><td></td><td>Conteúdo: 283 g</td></tr><tr><td>Fita Stretch</td><td>Fixomull, BSN Medical, Almere, Holanda</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

um método baseado em unidade de medição inercial para estimar a cinemática da articulação do quadril e do joelho em atletas de esporte de equipe em campo

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

A prática atual de monitoramento de atletas em esportes em equipe baseia-se principalmente em dados posicionais medidos por sistemas de posicionamento global ou posicionamento local. A desvantagem desses sistemas de medição é que eles não registram cinemática de extremidade inferior, o que poderia ser uma medida útil para identificar fatores de risco de lesões. O rápido desenvolvimento da tecnologia de sensores pode superar as limitações dos sistemas de medição atuais. Com unidades de medição inerciais (IMUs) fixadas com segurança em segmentos corporais, algoritmos de fusão de sensores e um modelo biomecânico, a cinemática articular poderia ser estimada. O principal objetivo deste artigo é demonstrar uma configuração de sensores para estimar a cinemática das articulações do quadril e joelho dos atletas do esporte em equipe no campo. Cinco indivíduos do sexo masculino (idade 22,5 ± 2,1 anos; massa corporal 77,0 ± 3,8 kg; altura 184,3 ± 5,2 cm; experiência de treinamento 15,3 ± 4,8 anos) realizaram um sprint linear máximo de 30 metros. Ângulos articulares de quadril e joelho e velocidades angulares foram obtidos por cinco IMUs colocados na pelve, ambas as coxas e ambas as hastes. Os ângulos do quadril variaram de extensão de 195° (± 8°) a 100,5° (± 8°) flexão e ângulos do joelho variaram de flexão máxima de 168,6° (± 12°) e flexão máxima de 62,8° (± 12°). Além disso, a velocidade angular do quadril variou entre 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1) e -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1). A velocidade angular do joelho variou entre 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1) e -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1). A configuração do sensor foi validada e poderia fornecer informações adicionais sobre o monitoramento do atleta no campo. Isso pode ajudar os profissionais em um ambiente esportivo diário a avaliar seus programas de treinamento, visando reduzir lesões e otimizar o desempenho.

Cinco indivíduos (todos do sexo masculino; todos jogadores de futebol; idade 22,5 ± 2,1 anos; massa corporal 77,0 ± 3,8 kg; altura 184,3 ± 5,2 cm; experiência de treinamento 15,3 ± 4,8 anos) realizou um sprint linear máximo de 30 metros. Os ângulos do quadril variaram entre 100,5° (± 8°) flexão máxima e 183,1° (± 8°) extensão máxima durante a aceleração, 104,1° (± 8°) flexão máxima e 195° (± 8°) extensão máxima durante a velocidade máxima, e 128,4° (± 11°) flexão máxima e 171,9° (± 23°) de flexão mínima durante a desaceleração. As velocidades angulares do quadril variaram entre 744,9 °·s-1 (± 154 °·s-1) e –578 °·s-1 (± 99 °·s-1) durante a aceleração, 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1) e -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1) durante a velocidade máxima, e 447,7 °·s-1 (± 255 °·s-1) e -430,3 °·s-1 (± 189 °·s-1) durante a desaceleração.
Além disso, os ângulos do joelho variaram entre 73,5° (± 12°) flexão máxima e 162,6° (± 7°) de flexão mínima durante a aceleração, 62,8° (± 12°) flexão máxima e 164,8° (± 6°) flexão mínima durante a velocidade máxima, e 81,1° (± 16°) flexão máxima e 168,6° (± 12°) de flexão mínima durante a desaceleração. A velocidade angular do joelho variou entre 935,8 °·s-1 (± 186 °·s-1) e -1137,8 °·s-1 (± 214 °·s-1) durante a aceleração, entre 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1) e -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1) durante a velocidade máxima, e 1000,1 °·s-1 (± 282 °·s-1) e -1004,3 °·s-1 (± 324 °·s-1). A Figura 3 ilustra dados cinemáticos contínuos de um teste linear de sprint de 30 metros, enquanto a Figura 4 e a Figura 5 ilustram dados cinemáticos de um ciclo de passo durante a aceleração, velocidade máxima e desaceleração de um ensaio.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig1.jpg"> Figura 1: Representação da colocação do sensor. (A) Colocação do sensor na haste direita e esquerda. (B) Colocação do sensor na pelve e coxa direita e esquerda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig2.jpg"> Figura 2: Definições para ângulos articulares de quadril e joelho e velocidades angulares. (A) Representação da posição neutra no plano sagital. Os ângulos articulares em posição neutra são de 180°. (B) Representação da articulação do quadril (quadril φ), articulação do joelho (joelho φ) e amplitude de movimento (ROM). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig3.jpg"> Figura 3: Visualização da cinemática de sprint de um ensaio durante a aceleração, velocidade máxima e fase de desaceleração. Um astérix indica quando um passo foi detectado. (A) Flexão e extensão do quadril esquerdo e direito e ângulos de extensão ao longo do tempo. (B) Velocidades angulares do quadril esquerdo e direito ao longo do tempo. (C) Ângulos do joelho esquerdo e direito ao longo do tempo. (D) Velocidades angulares do joelho esquerdo e direito ao longo do tempo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig4.jpg"> Figura 4: Gráfico polar no qual ângulo articular do quadril (°) e velocidades angulares (flexão/extensão) de um passo são ilustrados durante a aceleração, velocidade máxima e desaceleração. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig5.jpg"> Figura 5: Gráfico polar em que ângulo da articulação do joelho (°) e velocidades angulares (flexão/extensão) de um passo são ilustrados durante a aceleração, velocidade máxima e desaceleração. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

Monitorar atletas é essencial para melhorar o desempenho e reduzir o risco de lesões nos esportes em equipe. Os métodos atuais para monitorar atletas não incluem as extremidades inferiores. Anexar várias unidades de medição inerciais às extremidades inferiores poderia melhorar o monitoramento dos atletas no campo.

Um método baseado em unidade de medição inercial para estimar a cinemática da articulação do quadril e do joelho em atletas de esporte de equipe em campo

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

Um equilíbrio correto entre treinamento e recuperação leva a adaptações do corpo humano. O monitoramento desse processo de treinamento é essencial para otimizar o desempenho e reduzir o risco de lesões. A principal vantagem da configuração do sensor é que ela se concentra nas extremidades inferiores dos atletas e, assim, fornece informações adicionais aos sistemas de monitoramento atuais no campo.Esportes coletivos, como futebol e hóquei, são caracterizados por rápidas mudanças de direção, acelerações e desacelerações. Isso requer uma configuração específica do sensor. As lesões musculares são um problema sério nos esportes coletivos e achamos que com esse método podemos reduzir esse tipo de lesão e, ao mesmo tempo, melhorar o desempenho.Os demonstradores do procedimento serão Bram Bastiaansen e Erik Wilmes, alunos de doutorado em nossa equipe. Obtenha o consentimento informado por escrito dos indivíduos que atendem aos critérios de inclusão. Peça ao sujeito que preencha um questionário sobre sua experiência em esportes coletivos.Obtenha informações sobre sexo, idade, peso corporal e altura do sujeito. Depois que o assunto vestir roupas esportivas, alinhe todas as IMUs próximas umas das outras e pressione um botão na parte superior do sensor para ativar as IMUs. O sensor é ativado quando a luz verde pisca.Em seguida, bata todas as IMUs juntas em uma superfície dura para garantir que um pico mecânico tenha sido gerado. Antes de colocar as IMUs, raspe os pelos do corpo do sujeito no sacro entre as espinhas ilíacas póstero-superiores, na parte anteromedial da tíbia direita e esquerda e na parte lateral das coxas direita e esquerda. Quando todas as regiões estiverem raspadas, aplique o spray adesivo na pele exposta em movimentos de varredura, segurando o aplicador a pelo menos 10 centímetros de distância da pele.Depois de esperar de cinco a 10 segundos para que o spray seque, remova a camada protetora da fita adesiva dupla face nas IMUs e coloque cada IMU em um dos locais raspados. A colocação do sensor é uma etapa crítica para a estimativa precisa da cinemática dos membros inferiores no campo. Anote as etiquetas IMU e os locais anatômicos para referência posterior e cole fita adesiva sobre cada unidade de medida para garantir que os sensores estejam presos à pele.Para calibrar os sensores IMU, instrua o sujeito a ficar parado em uma posição neutra com os pés afastados na largura do quadril e as mãos ao lado do corpo por cinco segundos. Em seguida, instrua o sujeito a realizar um procedimento de calibração que consiste em flexão do quadril esquerdo seguida de flexão do quadril direito e um movimento de curvatura. Depois de esperar pelo menos cinco segundos, peça ao sujeito que repita o procedimento de calibração.Instrua o sujeito a realizar um procedimento de aquecimento antes de iniciar o teste de sprint linear de 30 metros. Para iniciar o teste, instrua o sujeito a ficar em campo com o pé preferido na linha de partida e os ombros atrás da linha de partida. Informe ao sujeito que o líder do teste fará uma contagem regressiva de três a zero e grite, comece.Instrua o sujeito a correr o mais rápido possível até atingir o ponto final de 30 metros, momento em que o assunto deve desacelerar o mais rápido possível para uma posição parada. Permita que o sujeito faça perguntas e realize uma prática quando desejar. Depois de confirmar que o assunto está pronto, certifique-se de que o assunto esteja na posição inicial correta antes de fazer com que o líder do teste inicie o teste.Inicie o cronômetro quando o sinal de partida for dado e o sujeito iniciar o teste de sprint. Incentive verbalmente o sujeito a atingir o desempenho máximo durante o sprint e pare o cronômetro quando o sujeito tiver percorrido uma distância de 30 metros. Inclua um período de descanso de dois minutos entre cada tentativa e peça ao sujeito que repita o teste mais duas vezes.Após a terceira tentativa, instrua o sujeito a realizar um procedimento de resfriamento antes de separar as IMUs do sujeito. Para processar dados, abra o MATLAB e importe os arquivos de dados IMU brutos. Para alinhar o quadro de coordenadas do sensor ao segmento do corpo, selecione os números de índice do arquivo de dados de quando o sujeito estava parado durante a calibração.Em seguida, selecione os números de índice dos dados do movimento do tronco durante a calibração e os números de índice dos dados dos movimentos de calibração das pernas direita e esquerda. Neste exemplo, as variáveis cinemáticas obtidas pelas IMUs são usadas em um modelo segmentar para detectar alterações. Os dados cinemáticos do assunto podem ser alterados para as variáveis de interesse.Esta figura ilustra um exemplo de dados cinemáticos da extremidade inferior durante o teste de sprint linear. Observe que os dados cinemáticos do assunto mudaram quando o assunto estava desacelerando. Lembre-se de que o posicionamento e a calibração do sensor são etapas cruciais para estimar a cinemática dos membros inferiores no campo.Combinando nossos métodos, usamos sistemas de monitoramento comumente usados, como sistemas de posicionamento global, que permitem que cientistas e profissionais entendam melhor a carga de treinamento à qual os atletas estão expostos. No futuro, nosso método pode ser integrado em roupas inteligentes. Isso pode ajudar os profissionais a avaliar e otimizar os programas de treinamento e reabilitação.

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Research

JoVE Journal

Behavior

Comportamento

Segmentares Corpo propriedades inerciais são necessários para a modelagem dinâmica inversa. Usando uma oscilação e técnica placa de reação, propriedades inerciais das próteses abaixo do joelho foram medidos. Usando medidas diretas de prótese inércia no modelo de dinâmica inversa da perna protética resultou em magnitudes menores de forças conjuntas resultantes e momentos.

Oscilação e Conselho Reação Técnicas para estimar as propriedades de inércia de uma prótese abaixo do joelho

Durante o pouso, parte inferior do corpo ossos grandes cargas mecânicas de experiência e são deformados. É essencial para medir a deformação do osso para melhor compreender os mecanismos de lesões por esforço ósseo associados a impactos. Uma nova abordagem de integração de modelagem osteomuscular assunto específico e análise de elementos finitos é usada para medir a tensão da tíbia durante os movimentos dinâmicos.

Assunto específico modelo músculo-esquelético para estudar a estirpe de osso durante o movimento dinâmico

Aqui, apresentamos um método padronizado para medição da cinestesia passiva do cotovelo utilizando o limiar para detecção de movimento passivo (TDPM) adequado para uma configuração de pesquisa.

Um método padronizado para medição da cinestésia do cotovelo

A videoradiografia biplano pode quantificar a cinemática do ombro com um alto grau de precisão. O protocolo aqui descrito foi especificamente projetado para rastrear a escápula, o úmero e as costelas durante a elevação do úmero planar, e descreve os procedimentos para coleta, processamento e análise de dados. Também são descritas considerações únicas para a coleta de dados.

Medindo kinemática de ombro 3D in vivo usando videoradiografia biplanar

A fluoroscopia dupla captura com precisão o movimento dinâmico in vivo das articulações humanas, que podem ser visualizadas em relação à anatomia reconstruída (por exemplo, artrokinematics). Aqui é apresentado um protocolo detalhado para quantificar a artrokinemática do quadril durante atividades de suporte de peso da vida diária, incluindo a integração da fluoroscopia dupla com a captura tradicional de movimento de marcador de pele.

In vivo Quantificação da Artrokinematics de Quadril durante atividades dinâmicas de peso usando fluoroscopia dupla

Nós apresentamos protocolos que permitem refinados no monitoramento vivo da função motor no mouse. Técnicas para medir o potencial de ação muscular composto (CMAP) eo número de unidade motora de estimativa (MUNE) nos músculos dos membros posteriores do mouse inervados pelo nervo ciático são descritos.

Eletrofisiológico Unidade Motor Número Estimação (MUNE) Medição Potencial Composto Muscle Ação (CMAP) nos músculos dos membros posteriores Rato

Controlar um movimento idêntico com feedback de posição ou força resulta em diferentes ativações neurais e comportamento motor. Este protocolo descreve como investigar mudanças comportamentais observando a fadiga neuromuscular e como avaliar a atividade cortical motora (inibitória) usando TMS subliminar em relação à interpretação do feedback aumentado.

Controle força e posição em Seres Humanos - O papel do feedback Augmented

Este protocolo descreve um método novo e eficiente para iniciar rapidamente operante de responder por etanol em ratos, que, contrariamente aos métodos convencionais, não necessitam de privação de água ou sacarina / sacarose desvanecimento para iniciar a responder.

Um método para avaliar as propriedades de reforço de etanol em ratos sem água Privação, Sacarina desvanecimento ou treinamento de Acesso Ampliado

Uma versão rato da Vigilância testes psicomotores humana (PVT) é descrito que mede aspectos de atenção semelhantes aos medido com o PVT humano, incluindo os aspectos da vigilância humana, tais como a precisão do desempenho, velocidade do motor, respondendo prematuro e lapsos de atenção.

O psicomotora Teste Rodent Vigilância (rPVT): um método para avaliar Neurobehavioral Desempenho em ratos e camundongos

Uma série de métodos básicos para permitir o estudo da ecologia reprodutiva de peixes mantidos em aquários são descritos. Estes são protocolos úteis para a coleta de peixe usando SCUBA, transporte de peixes vivos e observação do comportamento reprodutivo de peixes selvagens capturados em aquários.

Métodos Básicos para o Estudo da Ecologia Reprodutiva do Peixe em Aquário

Aprenda a usar unidades de medição inercial para estimar a cinemática do quadril e joelho em atletas de esportes coletivos. Este método reduz lesões musculares e otimiza o desempenho atlético.

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