JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

שיטה מבוססת יחידת מדידה אינרציאלית להערכת קינמטיקה מפרק הירך והברך בספורטאים ספורט צוות על המגרש

Published: May 26, 2020
doi:
10.3791/60857
, , , , , , , , , , ,
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

Summary

ניטור ספורטאים חיוני לשיפור הביצועים והפחתת הסיכון לפציעות בספורט קבוצתי. השיטות הנוכחיות לניטור ספורטאים אינן כוללות את הגפיים התחתונות. הצמדת יחידות מדידה אינרציאליות מרובות לגפיים התחתונות יכולה לשפר את ניטור הספורטאים בתחום.

Abstract

תרגול ניטור ספורטאים נוכחי בספורט קבוצתי מבוסס בעיקר על נתוני מיקום הנמדדים על ידי מיצוב גלובלי או מערכות מיצוב מקומיות. החיסרון של מערכות מדידה אלה הוא שהם אינם רושמים קינמטיקה בגפיים התחתונות, אשר יכול להיות אמצעי שימושי לזיהוי גורמי סיכון לפציעה. פיתוח מהיר בטכנולוגיית החיישנים עשוי להתגבר על המגבלות של מערכות המדידה הנוכחיות. עם יחידות מדידה אינרציאליות (IMUs) קבועות באופן מאובטח למקטעי גוף, אלגוריתמי היתוך חיישנים ודגם ביומכני, ניתן להעריך קינמטיקה משותפת. המטרה העיקרית של מאמר זה היא להדגים מערך חיישן להערכת קינמטיקה מפרק הירך והברך של ספורטאי ספורט קבוצתיים בתחום. חמישה נבדקים גברים (גיל 22.5 ± 2.1 שנים; מסת גוף 77.0 ± 3.8 ק”ג; גובה 184.3 ± 5.2 ס”מ; ניסיון אימון 15.3 ± 4.8 שנים) ביצעו ריצה ליניארית מקסימלית של 30 מטר. זוויות מפרק הירך והברך ומהירויות זוויתיות התקבלו על ידי חמישה IMUs שהונחו על האגן, הן בירכיים והן בשני השוקיים. זוויות הירך נעו בין הרחבה של 195° (± 8°) לכיפוף מינימלי של 100.5° (± 8°) וזוויות הברך נעו בין כיפוף מרבי של 168.6° (± 12°) וכיפוף מרבי של 62.8° (± 12°). יתר על כן, מהירות זוויתי הירך נע בין 802.6 °s-1 (± 192 °s-1)ו -674.9 °s-1 (± 130 °s-1). מהירות הברך הזוויתית נעה בין 1155.9 °s-1 (± 200 °·s-1)ו -1208.2 °s-1 (± 264 °s-1). הגדרת החיישן אומתה ויכולה לספק מידע נוסף לגבי ניטור ספורטאים בתחום. זה עשוי לעזור לאנשי מקצוע בהגדרת ספורט יומית להעריך את תוכניות האימונים שלהם, במטרה להפחית את הפציעה ולמטב את הביצועים.

Introduction

ספורט קבוצתי (למשל, כדורגל והוקי שדה) מאופיין בפעולות נפץ קצרות לסירוגין כגון ריצה בעצימות גבוהה או ריצה, עם תקופות ארוכות יותר של פעילויות תובעניות פחות כמוהליכהאו ריצה 1,2,3,4,5,6. במהלך העשורים האחרונים, הדרישות הפיזיות של המשחק התפתחו עם מרחק רב יותר מכוסה במהירות גבוהה וריצה, מהירויות כדור גבוהות יותר ועוד מסירות7,8.

ספורטאים מתאמנים כל הזמן קשה על מנת לשמור ולשפר את היכולת הפיזית שלהם לעמוד בדרישות הפיזיות של המשחק. היישום הנכון של גירוי אימון בשילוב עם התאוששות מספקת גורם לתגובות שמובילות להסתגלות של גוף האדם, שיפור כושר וביצועים9. להיפך, חוסר איזון בין גירוי אימונים להחלמה יכול להוביל לעייפות ממושכת ותגובת אימון לא רצויה (חוסר מיומנות), מה שמגדיל את הסיכון לפציעה בספורטאים מקצועיים וחובבים כאחד10,11,12,13.

אחד הסיכונים העיקריים המלווים באימונים גבוהים וגירויים תואמים הם פציעות מאמץ שרירים. פציעות מאמץ שרירים מהוות יותר משליש מכל הפציעות של אובדן הזמן בספורט הקבוצתי וגורמות ליותר מרבע מכלל הפציעות, כאשר מיתרי הברך הם הנפוצים ביותר14,15,16,17. יתר על כן, מספר הספורטאים המקיימים פציעת זן שריר הירך עולה בכל שנה18,19, למרות כי תוכניות מרובות הוכנסו כדי למנוע פציעות מאמץ שריר הירך12,13,20,21. כתוצאה מכך, יש לכך השפעה שלילית מספורטיבי22 ופיננסי23 פרספקטיבות. לכן, ניטור נאות של ספורטאים בודדים חיוני לאופטימיזציה של לוחות הזמנים של האימונים, מזעור הסיכון לפציעה ואופטימיזציה של הביצועים.

אימון ניטור ספורטאים נוכחי בספורט קבוצתי מבוסס בעיקר על נתוני מיקום הנמדדים על ידי מערכות מיקום מקומיות או גלובליות24,25. מערכות אלה מנטרות פעילות עם מדדים מבוססי GPS כגון מרחק מכוסה, מהירות ריצה ממוצעת או מדדים מבוססי תאוצה כגון PlayerLoad26,27,28. חיסרון של אמצעים אלה הוא שהם אינם כוללים קינמטיקה בגפיים התחתונות. מערכות מדידה אופטו-אלקטרוניקה משמשות כסטנדרט זהב לביצוע ניתוח קינמטי של הגפיים התחתונות במהלך ספרינט ליניארי29,30,31,32. החסרונות של מערכות אלה הם חוסר תוקף אקולוגי בשל אזור המדידה המוגבל שלהם, הצורך של מומחה להפעיל את המערכת וניתוח נתונים גוזל זמן. לפיכך, שיטה זו אינה מתאימה לתרגול ספורט יומי.

פיתוח מהיר בטכנולוגיית חיישנים עשוי להתגבר על המגבלות של השיטות הנוכחיות לניטור ספורטאים. אפשרויות האמינות, המיניאטוריזציה ואחסון הנתונים האחרונות של יחידות מדידה אינרציאליות (IMU) מאפשרות יישום בשטח של טכנולוגיית חיישנים. IMUs מכילים מד תאוצה, ג’ירוסקופ ומגנטומטר המודדים את התאוצה, המהירות הזוויתית והשדה המגנטי, בשלושה צירים אורתוגונליים בהתאמה33,34. עם חיישנים קבועים באופן מאובטח למקטעי גוף, אלגוריתמי היתוך חיישנים ודגם ביומכני, ניתן להעריך קינמטיקה משותפת33. רישום קינמטיקה משותפת בשילוב עם מידע על האצת מקטעי גוף שונים עשוי לשפר את ניטור הספורטאים בספורט קבוצתי.

על-ידי צימוד הגדרת חיישן IMU למבחן שדה סטנדרטי, ניתן להמחיש כיצד קינמטיקה בגפיים התחתונות נרשמת במהלך ריצה ליניארית בשדה, מה שיכול להיות מדד שימושי לזיהוי גורמי סיכון לפציעה. הגדרת החיישן עשויה לספק מידע נוסף לאמצעי הניטור הנוכחיים בהם אנשי מקצוע עשויים להשתמש כדי למטב את לוחות הזמנים של האימונים כדי לשפר את הביצועים ולמזער את הסיכון לפציעה. לכן, המטרה העיקרית של מאמר זה היא להדגים מערך חיישן אינרציאלי להערכת קינמטיקה מפרק הירך והברך של ספורטאי ספורט קבוצתיים בתחום.

Protocol

כל השיטות המתוארות בסעיף זה אושרו על ידי הוועדה האתית של המרכז למדעי התנועה האנושית של אוניברסיטת חרונינגן (מספר רישום: 201800904). 1. בדיקת שדה והכנת יחידת מדידה אינרציאלית הגדר שני קונוסים לפחות 1 מ ‘ אחד מהשני כדי לקבוע את תחילת מבחן השדה.הערה: המרחק של מטר אחד בין הקונוסים מאפשר לנושא לפעול בקלות דרך נקודת ההתחלה של מבחן השדה. ניתן להתאים מרחק זה להעדפת מוביל הבדיקה. קבע את נקודת הסיום של בדיקת השדה על-ידי גלגול סרט מדידה מנקודת ההתחלה של הבדיקה עד למרחק ליניארי של 30 מ’. הגדר שני קונוסים לפחות 1 מ ‘ אחד מהשני כדי לקבוע את נקודת הסיום של מבחן השדה. הכן את ה- IMUs כדי להיקשר כראוי לגוף הנבדק.הערה: ראה טבלת חומרים עבור מידות IMU ומאפייני משקל. חותכים סרט מתיחה ל 5 חתיכות בגודל של 10 ס”מ x 10 ס”מ. גזור סרט הדבקה דו-צדדי (לדוגמה, קלטת פאה) ל- 5 חלקים השווים לגודל ה- IMUs בהם נעשה שימוש. חבר פיסת סרט הדבקה דו-צדדי לכל IMU. סמן כל IMU בתווית, כך שניתן יהיה לזהות אותו בנפרד במהלך ניתוח נתונים. 2. הכנת נושא קבל מידע על מין הנושא, גילו, משקל גופו וגובהו. בקשו מהנושא למלא שאלון על הרקע שלו בספורט קבוצתי. קבל הסכמה מדעת בכתב מנושאים העונים על קריטריוני ההכללה.הערה: דוגמאות לשאלות: (i) במשך כמה שנים אתה משחק כדורגל? (ii) באיזו רמה אתה משחק כדורגל? (iii) כמה שעות בשבוע יש לך אימוני כדורגל במהלך 6 החודשים האחרונים? (iv) מהי עמדת המשחק שלך? (v) האם חווית כאב כלשהו או שסבלת מפגיעה בשרירים ושלד בגפיים התחתונות במהלך 6 החודשים האחרונים? קבע אם הנושא עומד בקריטריוני ההכללה.הערה: לכלול נושאים כאשר הם לא חוו כל פציעות שרירים ושלד או כאב בגפיים התחתונות ב 6 חודשים לפני ביצוע הפרוטוקול; לנושאים צריך להיות יותר משנה ניסיון בספורט קבוצתי מתחרה ברמה חובבנית. בקשו מהנושא לעבור לבגדי ספורט (למשל, חולצת כדורגל, מכנסי כדורגל קצרים ונעלי כדורגל).הערה: מכיוון שהחיישנים יונחו על השוקה, גרבי כדורגל אינם רצויים. הכן את ה- IMUs לחיבור לגוף הנבדק. יישר את כל 5 ה- IMUs זה לצד זה. הפעל את כל חמשת ה- IMUs בו-זמנית על-ידי לחיצה על לחצן מעל החיישן. החיישן מופעל כאשר אור ירוק מהבהב.הערה: מרגע זה, כל IMU מדגם נתונים במהירות של 500 הרץ. יש להעלות נתונים למחשב נייד או למחשב לאחר השלמת הבדיקה. ודא ששיא מכני נוצר על-ידי הקשה על כל ה- IMUs על משטח קשיח בו-זמנית (למשל, על שולחן).הערה: הפסגה המכנית נדרשת לסנכרון אותות IMU. סינכרון אותות IMU מתבצע במהלך עיבוד נתונים (סעיף 5). סעיף זה אינו נחוץ כאשר נעשה שימוש בחיישנים הזמינים מסחרית. במקרה זה, השתמש בתוכנה המתאימה כדי לסנכרן את החיישנים. צרף את ה- IMUs לגוף הנושא (איור 1). לגלח את שיער הגוף של הנושא במקומות האנטומיים הבאים: ב sacrum בין שני קוצים איליאק העליון האחורי, החלק הגרמי anteromedial של השוקה הימנית והשמאלית, ואת החלק הצדדי של הירך הימנית והשמאלית (כלומר, טרוס illiotibialis).הערה: המיקומים האנטומיים שבהם יש להציב חיישנים יכולים להיקבע על ידי מישוש. ריסוס תרסיס דבק על המיקומים האנטומיים המתוארים בשלב 2.5.1. המתן 5-10 שניות כדי לוודא שתרסיס ההדבקה יבש.הערה: החזיקו את התרסיס במרחק של לפחות 10 ס”מ (4 אינץ’) מהעור וריססו את האזור הרצוי בתנועה גורפת. הסר את שכבת ההגנה של סרט ההדבקה הדו-צדדי מ- IMUs. מקם את ה- IMU במיקומים האנטומיים המתוארים. רשום את המיקום האנטומי עם התווית המתאימה של IMU (למשל, שוק ימני: IMU 1). חבר את סרט המתיחה מעל כל IMU כדי לוודא שהחיישן מאובטח בנוסף לעור. 3. כיול חיישן IMU הורה לנושא לעמוד במקום ניטרלי כשרגליהם ברוחב הירך מופרדות וידיהם בצד. שמור על עמדה זו לתקופה מינימלית של 5 שניות. הורה לנושא להגמיש את הירך והברך השמאלית שלהם לזווית של 90 מעלות במישור הסגיטלי ולאחר מכן להרחיב את הירך למיקום הניטרלי שלהם כמתואר בשלב 3.1.הערה: להגדרות של משתנים קינמטיים, ראו איור 2. חזור על שלב 3.2 עבור הירך והברך הימנית. הורה למשתתף להגמיש את תא המטען שלו לכיוון הקרקע ולחזור למצבו הניטרלי. המתן לתקופה מינימלית של 5 שניות. חזור על שלבים 3.1-3.5 פעם אחת. 4. בצע את מבחן הריצה הליניארית באורך 30 מטר הורה לנושא לבצע התחממות (למשל, פיפ”א ספציפית לכדורגל 11+ תוכנית חימום20). הודע לנושא על פרוטוקול הבדיקה. ברור כי הסיכון לפציעה במהלך הבדיקה אינו גבוה יותר מאשר במהלך אימון רגיל וכי הנושא יכול לבטל את הבדיקה בכל עת, מבלי לתת שום סיבה. הורה לנושא לעמוד בתנוחת ההתחלה הנכונה, כאשר הרגל המועדפת עליו עומדת על קו הזינוק וכתפיו מאחורי קו הזינוק על המגרש. הורה לנושא כי מוביל הבדיקה יספור לאחור מ 3 עד 0 ואחריו צועק ‘התחל’. הנחה שכאשר נקרא ‘התחל’, הבדיקה מתחילה. הודע לנושא לרוץ מהר ככל האפשר עד לנקודת הסיום של 30 מ ‘. לאחר שהגיעה לנקודת הסיום של 30 מ’, הנושא צריך להאט מהר ככל האפשר לעמדת קיפאון. אפשר לנושא לשאול שאלות. במידת הצורך, אפשר לנושא לבצע הפעלת תרגול כדי להכיר את הנושא עם הפרוטוקול. שאל את הנושא אם ההוראות היו ברורות. ודא שהנושא נמצא בעמדת ההתחלה הנכונה. לספור לאחור מ ‘3’ כדי ‘0’ ולצעוק ‘התחל’ כדי להתחיל את הבדיקה. הפעל את שעון העצר כאשר סימן ההתחלה ניתן. עודד את הנושא על מנת להשיג ביצועים מרביים. עצור את שעון העצר כאשר המשתתף הגיע לעמדת הקיפאון שלו. חזור על שלבים 4.4-4.6 עד לביצוע שלושה ספרינטים.הערה: תן למשתתפים לנוח לפחות 2 דקות בין המבחנים. כלול את הספרינט המהיר ביותר לניתוח נתונים. הורה לנושא לבצע התקררות. נתק את ה- IMUs מהנושא על-ידי הסרת סרט המתיחה וסרט הדבקה דו-צדדי מגופו של הנבדק. 5. עיבוד נתונים חבר את ה- IMU למחשב באמצעות כבל USB. יצא את נתוני IMU הגולמיים לתיקיה ספציפית במחשב. פתח את MATLAB (גירסה r2018b). יבא את קבצי הנתונים הגולמיים של IMU (כלומר, מדי תאוצה, ג’ירוסקופ ונתוני מגנטומטר). סנכרן את קבצי הנתונים הגולמיים של IMU. יבא את קובץ נתוני ההאצה של חיישן אחד (למשל, חיישן האגן). חשב אידיוט על-ידי בידול אותות התאוצה X, Y ו- Z. סכם את האידיוט X, Y ו- Z כדי להשיג את האידיוט הכולל. השג את השיא המכני על-ידי מציאת ערך האינדקס בקובץ הנתונים שבו האידיוט הכולל הגיע לערך המקסימלי שלו. ערך האינדקס הוא תחילת המדידה. מחק את כל נקודות הנתונים של נתוני ההאצה, נתוני המגנטומטר ונתוני הג’ירוסקופ לפני ערך האינדקס של החיישן. חזור על שלבים 5.3.1-5.3.3 עבור כל קובץ נתונים גולמי של החיישן המתאים. קבע איזה חיישן מכיל את הכמות הנמוכה ביותר של נקודות נתונים על-ידי השגת מספר נקודות הנתונים שנדגמו עבור כל קובץ נתונים. גזור את כל קבצי הנתונים האחרים השווים לגודל החיישן שרשם אותות לפרק הזמן הקצר ביותר. סנן נתוני ג’ירוסקופ באמצעות מסנן באטרוורת’ מסדר שני בעל מעבר נמוך עם תדר ניתוק של 12 הרץ.הערה: המסנן ותדירות הניתוק המסוימים נבחרו על סמך בדיקת נתונים חזותיים בניסויי פיילוט קודמים. השג אוריינטציה חיישן ביחס למסגרת כדור הארץ העולמית על ידי חישוב quaternion הכיוון של החיישן באמצעות מסנן Madgwick35.הערה: תיאור מקיף של אופן החישוב של כיוון החיישן ביחס למסגרת כדור הארץ העולמית מתואר במדגוויק ואח ’35. יישר את מסגרת קואורדינטת החיישן למקטע הגוף. בחר את מספרי האינדקס של קובץ הנתונים כאשר הנושא עמד מלכת במהלך הכיול (שלב 3.1).הערה: ההנחה היא כי ציר האורך של החיישן דומה וקטור הכבידה. השתמש במספרי האינדקס של שלב 5.6.1 כדי לחשב את הכיוון הממוצע של כל חיישן ביחס למסגרת הייחוס הכללית במהלך הכיול הסטטי. לאחר מכן סובב את מסגרת החיישן של כל חיישן, כך שהיא תיישר עם מסגרת הייחוס הגלובלית במהלך כיול סטטי. בחר את מספרי האינדקס של קובץ הנתונים בעת ביצוע תנועת הכיול של הרגל השמאלית (שלב 3.2). סובב את הכיוון של חיישני הרגל השמאלית באופן כזה שתנועת הכיול היא סיבוב על הציר הקדמי בלבד. חזור על שלבים 5.6.3 ו- 5.6.4 עבור תנועות הכיול של רגל ימין ותא המטען. השג אוריינטציות משותפות על-ידי הבעת הכיוון של מקטע הגוף הדיסטלי במסגרת הקואורדינטות של המקטע הפרוקסימלי עבור כל מפרק. השג זוויות מפרק על ידי פירוק אוריינטציות המפרקים המתקבלות לזוויות ‘XZY’ אוילר.הערה: כיצד לפרק את האוריינטציות המשותפות המתקבלות לזוויות ‘XZY’ אוילר מתואר בעבודתו של Diebel36. השג מהירויות זוויתיות משותפות המבטאות את אותות הג’ירוסקופ של כל מקטע דיסטלי במסגרת הקואורדינטות של המקטע הפרוקסימלי המתאים לו פחות המהירות הזוויתית של המקטע הפרוקסימלי. זהה כל שלב במהלך הריצה הליניארית באמצעות אלגוריתם לזיהוי שלבים. יבא את נתוני הג’ירוסקופ המסוננים ב- MATLAB. השתמש בפונקציית זיהוי שיא כדי לזהות פסגות באות הג’ירוסקופ.הערה: גובה השיא נקבע על 286.5 °s-1 ומרחק שיא מינימלי נקבע על 100 דגימות (= 0.2 s). עבור כל שלב, חשב את הערך המרבי עבור זווית הירך, זווית הברך, מהירות הזווית של הירך ומהירות זוויתית בברך. עבור כל שלב, לחשב את הערך המינימלי עבור זווית הירך, זווית הברך, מהירות זוויתי הירך, ומהירות זווית הברך. עבור כל שלב, לחשב את טווח הירך של תנועה על ידי חיסור זווית הירך המינימלית מזווית הירך המרבית. עבור כל שלב, לחשב את טווח הברך של תנועה על ידי חיסור זווית הברך המינימלית מזווית הברך המרבית. שמור את הנתונים המעובדים בתיקיה ספציפית במחשב כדי להשתמש בהם לצורך ניתוח נוסף. 6. ניתוח נתונים יבא את נתוני IMU המעובדים ב- MATLAB. חלק את הספרינט להאצה, שלב מהירות והאטה עליון בהתבסס על השלבים שזוהו על ידי אלגוריתם זיהוי הצעדים.הערה: שלבי ספרינט במאמר זה נבחרו באופן שרירותי. שלב ההאצה מוגדר כשלב 3 עד8 37, ואילו שלב ההאטה מוגדר כשמונה השלבים האחרונים בספרינט. נתוני המהירות הגבוהה ביותר נגזרו משלבים שבוצעו בין שלבים אלה. בחר את נתוני המהירות הזוויתית עבור ניתוח נתונים. חשב את הערכים הממוצעים ואת סטיית התקן של המשתנים הקינטמטיים של כל השלבים במהלך כל שלב במבחן הריצה הליניארית של 30 מ’. חזור על שלב 6.3 ו- 6.4 עבור נתוני הזווית.

Representative Results

חמישה נבדקים (כולם גברים; כולם שחקני כדורגל; גיל 22.5 ± 2.1 שנים; מסת גוף 77.0 ± 3.8 ק”ג; גובה 184.3 ± 5.2 ס”מ; ניסיון אימון 15.3 ± 4.8 שנים) ביצעו ריצה ליניארית מקסימלית של 30 מטר. זוויות הירך נעו בין כיפוף מרבי של 100.5° (± 8°) לבין הרחבה מרבית של 183.1° (± 8°) במהלך התאוצה, כיפוף מרבי של 104.1 ° (± 8°) והרחבה מרבית של 195° (± 8°) במהירות המרבית, וכיפוף מרבי של 128.4° (± 11°) וכיפוף מרבי של 171.9° (± 23°) במהלך ההאטה. מהירויות זוויתיות בירך נעו בין 744.9 °·s-1 (± 154 °s-1)ו -578 °s-1 (± 99 °s-1) במהלך האצה, 802.6 °s-1 (± 192 °s-1)ו -674.9 °s-1 (± 130 °s-1)במהלך המהירות המרבית, ו- 447.7 °·s-1 (± 255 °s-1)ו -430.3 °s-1 (± 189 °s-1)במהלך האטה. יתר על כן, זוויות הברך נעו בין כיפוף מרבי של 73.5° (± 12° ) לבין כיפוף מינימלי של 162.6° (± 7°) במהלך התאוצה, כיפוף מרבי של 62.8° (± 12°) וכיפוף מרבי של 164.8° (± 6°) במהלך המהירות המרבית, וכיפוף מרבי של 81.1° (± 16°) וכיפוף מינימלי של 168.6° (± 12°) במהלך ההאטה. מהירות הברך הזוויתית השתנתה בין 935.8 °s-1 (± 186 °s-1)ו -1137.8 °s-1 (± 214 °s-1)במהלך האצה, בין 1155.9 °·s-1 (± 200 °s-1)ו -1208.2 °s-1 (± 264 °s-1)במהלך המהירות המרבית, ו- 1000.1 °·s-1 (± 282 °s-1)ו -1004.3 °s-1 (± 324 °s-1). איור 3 מדגים נתונים קינמטיים רציפים של ניסוי אחד במבחן הריצה הליניארית של 30 מ’, ואילו איור 4 ואיור 5 ממחישים נתונים קינמטיים של מחזור צעד אחד במהלך האצה, מהירות עליונה והאטה של ניסוי אחד. איור 1: ייצוג מיקום החיישן. (A)מיקום חיישן על השוק הימני והשמאלי. (B)מיקום חיישן על האגן, וימינה וירך שמאל. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 2: הגדרות לזוויות מפרק הירך והברך ומהירויות זוויתיות. (A)ייצוג המיקום הניטרלי במישור הסגיטלי. זוויות המפרקים במצב ניטרלי הן 180°. (B)ייצוג מפרק הירך (θ הירך), מפרק הברך (θ הברך) וטווח התנועה (ROM). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 3: הדמיה של קינמטיקה של ספרינט של ניסוי אחד במהלך האצה, מהירות מירבית ושלב האטה. אסטריקס מציין מתי זוהה שלב. (A)כיפוף הירך השמאלית והימנית וזוויות הארכה לאורך זמן. (B)מהירויות זוויתיות בירך שמאל וימינה לאורך זמן. (C)זוויות ברך שמאלה וימינה לאורך זמן. (D)מהירויות זוויתיות בברך שמאל וימינה לאורך זמן. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 4: עלילה קוטבית שבה זווית מפרק הירך (°) והמהירויות הזוויתיות (כיפוף/הרחבה) של צעד אחד מודגמות במהלך האצה, מהירות עליונה והאטה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 5: עלילה קוטבית שבה זווית מפרק הברך (°) והמהירויות הזוויתיות (כיפוף/הרחבה) של צעד אחד מודגמות במהלך האצה, מהירות עליונה והאטה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

השיטות הנוכחיות לניטור ספורטאים בספורט קבוצתי אינן רושמות קינמטיקה בגפיים התחתונות, מה שיכול להיות מדד שימושי לזיהוי גורמי סיכון לפציעות. תקן הזהב לניתוח קינמטיקה בגפיים התחתונות במהלך הריצה הן מערכות מדידה אופטו-אלקטרוניקה29,30,31,32. למרות שמערכות מדידה אופטו-אלקטרוניקה משמשות כסטנדרט זהב, מערכות אלה חסרות תוקף אקולוגי בשל אזור המדידה המוגבל שלהן. הגדרת החיישן המוצגת במאמר זה מתגברת על המגבלות של מערכות המדידה הנוכחיות, והיא זולה יחסית. האפשרות לרשום קינמטיקה בגפיים התחתונות בתחום, הנמדדת על ידי הגדרת החיישן, עשויה לשפר את תרגול הניטור של הספורטאים.

מחקרים קודמים שבדקו קינמטיקה ספרינט29,31,37,38,39 דיווחו על זוויות הירך הנעות בין 210° הארכה ל 90 ° כיפוף. יתר על כן, מחקרים אלה דיווחו על זוויות ברכיים הנעות בין כיפוף מינימלי של 160° וכיפוף מרבי של 40°. הערכים שנצפו במחקר זה נמצאים בטווח שדווח בעבר. מחקר אחד38 דיווחו על מהירויות זוויתיות בירך הנעות בין -590 °·s-1 עד 700 °s-1 ומהירויות זוויתיות בברך הנעות בין -1,000 °s-1 עד 1,100 °s-1. למרות שהערכים שנצפו במחקר זה היו גבוהים יותר, הם מראים מגמה דומה לאורך זמן. השיטה אומתה ויכולה לשמש לניטור ספורטאים בתחום40.

למחקר הנוכחי יש כמה מגבלות שיש לטפל בהן. ראשית, מלבד המאפיינים של ה- IMUs שהיו בשימוש, על המשתמשים להיות מודעים לכך שהאותות הנגזרים מ- IMUs מושפעים ממספר מקורות שגיאה המגבילים את הטווח האפשרי של יישומים41. ראשית, התנודה של הרקמות הרכות סביב העצמות (כלומר, חפצירקמות רכות 42) יכולה להשפיע על רישום קינמטיקה. מסיבה זו, חשוב לצרף בזהירות את ה- IMUs לגוף הנבדק בהתאם לשלבים המתוארים בפרוטוקול. למרות הצעדים הדרושים נעשו, יש לציין כי המחקר הנוכחי לא כלל רצועות אלסטיות נוספות כדי למנוע תנועת חיישן שגויה. זה יכול לשפר את התוצאות, ניתן לראות כמגבלה של מחקר זה. שנית, הפרעות פרומגנטיות ממכשירים אחרים (בעיקר בתוך מבנים) משנות את הגודל או הכיוון של וקטור השדה המגנטי הנמדד של המגנטומטר של IMU, ובכך גורמות לשגיאות בכיוון המשוער43. לכן, מקורות של הפרעה פרומגנטית יש להימנע ככל האפשר. יתר על כן, יש לציין כי הגדרת החיישן אינה ישימה לתקלות הזזה שכן החיישנים יתנתקו מהעור כתוצאה מ יצירת מגע למשטח הקרקע. לכן, המשתתפים צריכים להיות מונחים לא לבצע תיקולים הזזה במהלך משחקים צדדיים קטנים. פתרון אפשרי לבעיה זו יכול להיות לשלב את הגדרת החיישן בבגדים חכמים (כלומר, טייץ חיישן חכם).

המשתנים הקינטמטיים המתקבלים על ידי הגדרת החיישן יכולים לשמש במודל סגמנטלי כדי לפקח על ספורטאים בתחום. מחקרים קודמים מצאו כיפוף מרבי משולב של הירך וזווית הארכת הברך (כלומר, אורך מיתר תיאורטי) לאחר כל מחצית של סימולציית משחק כדורגל44. באותו מחקר, עלייה במהירות זוויתית שוק נצפתה במהלך הקצוות של כל מחצית. אורך מיתר הברך התחתון בשילוב עם מהירות שוק מוגברת עשוי להצביע על סיכון מוגבר למתח מוגזם במיתר הברך לאחר עייפות. שינויים כאלה בקינסמטיקה של ריצה עשויים להתגלות בהגדרת שדה באמצעות מודל סגמנטלי מונחה יחידת מידה אינרציאלית (IMU). מלבד שינויים בקינאמטיקה משותפת, ניתן להעריך גם כוחות הפועלים על הגוף בכללותו. כוחות תגובת הקרקע (GRF) מתארים את הטעינה הביומכנית שחוותה מערכת השלד והשרירים הכוללת, וניתן להעריך זאת באמצעות חוק התנועה השני של ניוטון (כלומר, F = m · a). המחקר הנוכחי בהפעלה השתמש בהערכת GRF כדי למטב את ביצועי ספרינט45,46 או הערכת הסיכון הפוטנציאלי לפציעה47,48,49,50. מחקרים אלה מראים כי שיעורי הטעינה, פסגות כוח השפעה אנכית וכוח שבירה אופקי קשורים לפציעות שימוש יתר בשרירים ושלד. למרות שזה אתגר להעריך GRF במדויק במהלך תנועות ספציפיות צוות-ספורט דינמי מאוד51,52, האפשרות לפקח על משתנים אלה במהלך המדידות על המגרש יכול לספק מידע חדש כדי לייעל את הביצועים, או כדי למנוע פציעות.

התוצאות המוצגות במאמר זה מוגבלות לניטור קינמטיקה בגפיים התחתונות במהלך ספרינט ליניארי, המתמקד במנגנון פגיעה במתח הברך. עם זאת, יש לציין כי פציעות בירך ובמפשעה מתרחשות לעתים קרובות גם בספורט קבוצתי14,17,53,54,55. פציעות אלה נגרמות ככל הנראה על ידי מעורבות חוזרת ונשנית של בעיטות ושינוי כיוון. לכן, מחקר עתידי צריך לא רק להגביל את המיקוד שלהם על ריצה ביחסים עם מנגנון פציעת מאמץ שריר הירך, אלא גם להתמקד בהרחבת הידע לגבי שינוי כיוון משימות56 ו בועט57,58,59 ביחסים עם פציעות בירך ובמפשעה.

לסיכום, הגדרת חיישן זה יכול להיות משולב בבגדים חכמים. בגדים חכמים עשויים לאפשר לרשום קינמטיקה בגפיים התחתונות בתחום במהלך משימות ספציפיות לספורט קבוצתי, אשר יכול לשפר את ניטור ספורטאים בעתיד. זה עשוי לעזור לאנשי מקצוע במסגרת ספורט יומית להעריך את תוכניות האימונים שלהם ולייעל אותם, במטרה להפחית את הסיכון לפציעה.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים רוצים להכיר למרבה המזל במקורות המימון שמספק ארגון המחקר הלאומי ההולנדי (NWO). יתר על כן, המחברים רוצים להודות למרבה המזל התאחדות הכדורגל המלכותית ההולנדית (KNVB) על הקלת תוכנית המחקר על ידי מתן גישה למתקני המחקר שלהם. לבסוף, המחברים רוצים להודות למרבה המזל Thijs Wiggers על תרומתו לתוכנית המחקר.

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. , (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).

Tags

Inertial Measurement UnitHip Joint KinematicsKnee Joint KinematicsTeam Sport AthletesSensor SetupLower ExtremitiesMuscle InjuriesPerformanceSensor PlacementCalibration

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Bastiaansen, B. J., Wilmes, E., Brink, M. S., de Ruiter, C. J., Savelsbergh, G. J., Steijlen, A., Jansen, K. M., van der Helm, F. C., Goedhart, E. A., van der Laan, D., Vegter, R. J., Lemmink, K. A. An Inertial Measurement Unit Based Method to Estimate Hip and Knee Joint Kinematics in Team Sport Athletes on the Field. J. Vis. Exp. (159), e60857, doi:10.3791/60857 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image