Övervakning av idrottare är avgörande för att förbättra prestanda och minska skaderisken i lagsporter. Nuvarande metoder för att övervaka idrottare inkluderar inte de nedre extremiteterna. Att fästa flera inertial mätenheter till de nedre extremiteterna kan förbättra övervakning idrottare i fältet.
Nuvarande idrottsövervakningspraxis inom lagsporter baseras huvudsakligen på positionsdata som mäts av global positionering eller lokala positioneringssystem. Nackdelen med dessa mätsystem är att de inte registrerar kinematik med lägre extremitet, vilket kan vara en användbar åtgärd för att identifiera skaderiskfaktorer. Snabb utveckling inom sensorteknik kan övervinna begränsningarna i de nuvarande mätsystemen. Med inertiala mätenheter (IMUs) säkert fastsatta på kroppssegment, sensorfusionsalgoritmer och en biomekanisk modell kunde ledkinematik uppskattas. Huvudsyftet med denna artikel är att demonstrera en sensorinställning för att uppskatta höft- och knäledskinematik av lagidrottare i fältet. Fem manliga försökspersoner (22,5 ± 2,1 år; kroppsmassa 77,0 ± 3,8 kg; höjd 184,3 ± 5,2 cm; träningserfarenhet 15,3 ± 4,8 år) genomförde en maximal 30 meter linjär sprint. Höft- och knäled vinklar och vinkel hastigheter erhölls av fem IMUs placeras på bäckenet, både lår och båda skaft. Höftvinklar varierade från 195° (± 8°) förlängning till 100,5° (± 8°) flexion och knävinklar varierade från 168,6° (± 12°) minimal flexion och 62,8° (± 12°) maximal flexion. Dessutom varierade höftvinkelhastigheten mellan 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1)och -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1). Knä vinkelhastighet varierade mellan 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1)och -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1). Sensorinställningen har validerats och kan ge ytterligare information om idrottares övervakning på fältet. Detta kan hjälpa proffs i en daglig idrottsmiljö att utvärdera sina träningsprogram, i syfte att minska skador och optimera prestanda.
Lagsporter (t.ex. fotboll och fälthockey) kännetecknas av alternerande korta explosiva åtgärder som högintensiv löpning eller sprintning, med längre perioder med mindre krävande aktiviteter som promenader eller jogging1,2,3,4,5,6. Under de senaste decennierna utvecklades spelets fysiska krav med mer distans täckt med hög hastighet och sprint, snabbare bollhastigheter och fler passningar7,8.
Idrottare tränar ständigt hårt för att upprätthålla och förbättra sin fysiska kapacitet för att motstå spelets fysiska krav. Korrekt tillämpning av en träningsstimulans i kombination med tillräcklig återhämtning inducerar svar som leder till anpassning av människokroppen, förbättra kondition och prestanda9. Tvärtom kan en obalans mellan en träningsstimulans och återhämtning leda till långvarig trötthet och ett oönskat träningssvar (maladaptation), vilket ökar risken för skada hos både professionella och amatörlagsportidrottare10,11,12,13.
En av de största riskerna tillsammans med hög träning och match stimuli är muskelbelastning skador. Muskelbelastningsskador utgör mer än en tredjedel av alla tidsförlustskador i lagsporter och orsakar mer än en fjärdedel av den totala skadefrånvaron, där hamstrings är de vanligasteinvolverade 14,15,16,17. Dessutom ökar antalet idrottare som drabbas av en hamstring stamskada varje år18,19, trots att flera program har införts för att förhindra hamstring stamskador12,13,20,21. Följaktligen har detta ett negativt inflytande från sportiga22 och finansiella23 perspektiv.
Nuvarande idrottsövervakningspraxis i lagsporter baseras huvudsakligen på positionsdata som mäts av lokala eller globala positioneringssystem24,25. Dessa system övervakar aktivitet med GPS-baserade mätvärden som sträcka som täcks, genomsnittlig körhastighet eller accelerometribaserade mätvärden som PlayerLoad26,27,28. En nackdel med dessa åtgärder är att de inte inkluderar kinematik med lägre extremitet. Optoelektroniska mätsystem fungerar som en guldstandard för att utföra en kinematisk analys av de nedre extremiteterna under en linjär sprint29,30,31,32. Nackdelarna med dessa system är bristande ekologisk giltighet på grund av deras begränsade mätområde, behovet av en expert för att driva systemet och den tidskrävande dataanalysen. Således är denna metod inte lämplig för daglig sportpraxis.
Snabb utveckling inom sensorteknik kan övervinna begränsningarna i nuvarande metoder för att övervaka idrottare. Den senaste tidens tillförlitlighets-, miniatyriserings- och datalagringsmöjligheter för inertialmätningsenheter (IMU) möjliggör in-field tillämpning av sensorteknik. IMUs innehåller en accelerometer, gyroskop och magnetometer som mäter acceleration, vinkelhastighet och magnetfält, i tre orthogonalaaxlar respektive 33,34. Med sensorer säkert fastsatta på kroppssegment, sensorfusionsalgoritmer och en biomekanisk modell är det möjligt att uppskatta ledkinematik33. Registrering av gemensamma kinematik i kombination med information om acceleration av olika kroppssegment kan förbättra idrottare övervakning i lagsporter.
Genom att koppla IMU-sensorinställningen till ett standardiserat fälttest kan det illustreras hur kinematik med lägre extremitet registreras under linjär sprintning i fältet, vilket kan vara ett användbart mått för att identifiera skaderiskfaktorer. Sensorinställningen kan ge ytterligare information till aktuella övervakningsåtgärder som proffs kan använda för att optimera träningsscheman för att förbättra prestanda och minimera skaderisken. Därför är huvudsyftet med denna artikel att visa en inertial sensor setup för att uppskatta höft- och knäledskinematik av lagsportidrottare på fältet.
Nuvarande metoder för att övervaka idrottare i lagsporter registrerar inte lägre extremitet kinematik, vilket kan vara en användbar åtgärd för att identifiera skaderiskfaktorer. Guldstandarden för analys av kinematik med lägre extremitet under sprintning är optoelektroniska mätsystem29,30,31,32. Även om optoelektroniska mätsystem fungerar som en guldstandard saknar dessa system ekologisk giltighet på grund av deras begränsade mätområde. Sensorinställningen som presenteras i den här artikeln övervinner begränsningarna i de nuvarande mätsystemen och är relativt billig. Möjligheten att registrera lägre extremitet kinematik i fältet, mätt med sensorinställningen, kan förbättra idrottare övervakning övning.
Tidigare studier som undersökte sprint kinematik29,31,37,38,39 rapporterade höftvinklar som sträcker sig från 210 ° förlängning till 90 ° flexion. Dessutom rapporterade dessa studier knävinklar från 160° minimal flexion och 40° maximal flexion. De värden som observerats i denna studie ligger inom det intervall som tidigare rapporterats. En studie38 rapporterade höft vinkelhastigheter från -590 °·s-1 till 700 °·s-1 och knä vinkelhastigheter från -1 000 °·s-1 till 1 100 °·s-1. Även om de värden som observerades i denna studie var högre, visar de en liknande trend över tid. Metoden har validerats och kan användas för atletövervakning i fält40.
Den aktuella studien har vissa begränsningar som måste åtgärdas. För det första måste användarna, bortsett från egenskaperna hos de imus som har använts, vara medvetna om att de signaler som härleds från imus påverkas av flera felkällor som begränsar det möjliga tillämpningsområdet41. För det första kan svängningen av mjukvävnaderna runt benen (dvs. mjukvävnadsföremål42) påverka registreringen av kinematik. Av denna anledning är det viktigt att noggrant fästa imus till ämnets organ enligt de steg som beskrivs i protokollet. Även om nödvändiga åtgärder vidtagits bör det noteras att den aktuella studien inte inkluderade extra elastiska remmar för att förhindra felaktig sensorrörelse. Detta kan förbättra resultaten och kan ses som en begränsning av denna studie. För det andra ändrar ferromagnetiska störningar från andra anordningar (främst inuti byggnader) storleken eller riktningen på den uppmätta magnetfältsvektorn på IMU: s magnetometer, vilket orsakar fel i uppskattadorientering 43. Därför bör källor till ferromagnetiska störningar undvikas så mycket som möjligt. Dessutom måste det noteras att sensorinställningen inte är tillämplig på glidtacklingar eftersom sensorerna kommer att lossna från huden som ett resultat av kontakt med markytan. Deltagarna bör därför instrueras att inte utföra glidtacklingar under små sidospel. En möjlig lösning på detta problem kan vara att integrera sensorinställningen i smarta plagg (dvs. en Smart Sensor Tights).
De kinematiska variabler som erhålls av sensorinställningen kan användas i en segmentmodell för att övervaka idrottare i fältet. Tidigare forskning fann minskad maximal kombinerad höftflexion och knäförlängningsvinkel (dvs. teoretisk hamstringlängd) efter varje halva av en fotbollsmatchsimulering44. I samma studie har en ökning av skaftens vinkelhastighet observerats under ändarna av varje halvlek. Den lägre hamstringlängden i kombination med en ökad skafthastighet kan tyda på en ökad risk för överdriven hamstring stam efter trötthet. Sådana förändringar i sprinting kinematik kan detekteras i en fältinställning med hjälp av en imu-driven segmentmodell (Inertial Measurement Unit). Förutom förändringar i gemensam kinematik kan krafter som verkar på kroppen som helhet också uppskattas. Jordreaktionskrafter (GRF) beskriver den biomekaniska belastning som upplevs av det totala muskuloskeletala systemet och kan uppskattas med hjälp av Newtons andra rörelselag (dvs. F = m · a). Aktuell forskning inom löpning använde GRF-uppskattning för att optimera sprintprestanda45,46 eller bedöma potentiell skaderisk47,48,49,50. Dessa studier tyder på att lastningshastigheter, vertikala slagkrafttoppar och horisontell brottkraft är relaterade till muskuloskeletala överanvändningsskador. Även om det är en utmaning att uppskatta GRF exakt under mycket dynamiska lagsportspecifikarörelser 51,52, kan möjligheten att övervaka dessa variabler under mätningar på fältet ge ny information för att optimera prestanda eller för att förhindra skador.
Resultaten som presenteras i detta dokument är begränsade till övervakning nedre änden kinematik under en linjär sprint, med fokus på hamstring stam skada mekanism. Det bör dock noteras att höft- och ljumskskador också förekommer ofta ilagsporter 14,17,53,54,55. Dessa skador orsakas troligen av repetitiv inblandning av sparkar och riktningsändring. Således bör framtida forskning inte bara begränsa deras fokus på sprinting i samband med hamstring stam skada mekanismen utan också fokusera på att utöka kunskapen om förändring avriktningsuppgifter 56 ochsparkar 57,58,59 i förhållande till höft- och ljumskskador.
Sammanfattningsvis kan denna sensorinställning integreras i smarta plagg. Smarta plagg kan göra det möjligt att registrera kinematik i nedre extremiteter på fältet under lagsportspecifika uppgifter, vilket kan förbättra övervakningen av idrottare i framtiden. Detta kan hjälpa proffs i en daglig idrottsmiljö att utvärdera sina träningsprogram och optimera dem, i syfte att minska skaderisken.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tack och lov erkänna finansieringskällorna från den nederländska nationella forskningsorganisationen (NWO). Dessutom vill författarna tack och lov erkänna det nederländska kungliga fotbollsförbundet (KNVB) för att ha underlättat forskningsprogrammet genom att ge tillgång till deras forskningsanläggningar. Slutligen vill författarna tack och lov tacka Thijs Wiggers för hans bidrag till forskningsprogrammet.
Computer software | The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA | Matlab Version 2018b | |
Cones | Nike | n = 4 | |
Double-sided adhesive tape | For attaching IMUs on the skin | ||
Inertial Measurement Units | MPU-9150, Invensense, San Jose, California, United States | n = 5; Dimensions: 3.5 x 2.5 x 1.0 cm; Weight: 0,011 kg; Sample frequency: 500Hz; Accelerometer: ± 16 G, Gyroscope: ± 2000 °/s | |
Measuring tape | Minimal length: 30 meters | ||
Pre-tape spray | Mueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., Wisconsin, United States | Contents: 283 g | |
Stretch Tape | Fixomull, BSN Medical, Almere, The Netherlands |