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

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

Sahadaki Takım Sporu Sporcularında Kalça ve Diz Eklem Kinematiği Tahmin Etmek İçin Ataletsel Ölçüm Ünitesi Tabanlı Yöntem

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

Sporcuların izlenmesi, takım sporlarında performansı artırmak ve yaralanma riskini azaltmak için gereklidir. Sporcuları izlemek için mevcut yöntemler alt ekstremiteleri içermez. Alt ekstremitelere birden fazla ataletsel ölçüm ünitesi takmak, sahadaki sporcuları izlemeyi iyileştirebilir.

Abstract

Takım sporlarındaki mevcut sporcu izleme uygulaması esas olarak küresel konumlandırma veya yerel konumlandırma sistemleri ile ölçülen konumsal verilere dayanmaktadır. Bu ölçüm sistemlerinin dezavantajı, yaralanma riski faktörlerini tanımlamak için yararlı bir önlem olabilecek daha düşük ekstremite kinematik kaydetmemeleridir. Sensör teknolojisindeki hızlı gelişim, mevcut ölçüm sistemlerinin sınırlamalarını aşabilir. Vücut segmentlerine güvenli bir şekilde sabitlenmiş ataletsel ölçüm üniteleri (IMU’lar), sensör füzyon algoritmaları ve biyomekanik bir model ile eklem kinematiği tahmin edilebilir. Bu makalenin temel amacı, sahadaki takım sporu sporcularının kalça ve diz eklem kinematiklerini tahmin etmek için bir sensör kurulumu göstermektir. Beş erkek denek (yaş 22.5 ± 2.1 yıl; vücut kütlesi 77.0 ± 3.8 kg; yükseklik 184.3 ± 5.2 cm; eğitim deneyimi 15.3 ± 4.8 yıl) maksimum 30 metre doğrusal sprint gerçekleştirdi. Kalça ve diz eklem açıları ve açısal hızlar pelvise yerleştirilen beş IMU, hem uyluk hem de her iki sap ile elde edildi. Kalça açıları 195° (± 8°) uzatmadan 100,5° (± 8°) esnemeye, diz açıları ise 168,6° (± 12°) minimum fleksiyon ve 62,8° (± 12°) maksimum fleksiyon arasında değişmektedir. Ayrıca kalça açısal hızı 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1)ile -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1)arasında değişmektedir. Diz açısal hızı 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1)ve -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1)arasında değişmektedir. Sensör kurulumu doğrulandı ve sahadaki sporcu izleme ile ilgili ek bilgi sağlayabilir. Bu, günlük spor ortamındaki profesyonellerin, sakatlığı azaltmayı ve performansı optimize etmeyi amaçlayan antrenman programlarını değerlendirmelerine yardımcı olabilir.

Introduction

Takım sporları (örneğin, futbol ve çim hokeyi), yüksek yoğunluklu koşu veya sprint gibi alternatif kısa patlayıcı eylemlerle karakterize edilir, daha uzun süre yürüyüş veya koşu gibi daha az zorlu aktiviteler 1 , 2,3,4 ,5,6. Son on yılda, oyunun fiziksel talepleri yüksek hız ve sprintte daha fazla mesafe, daha yüksek top hızları ve daha fazla pas ile gelişti7,8.

Sporcular, oyunun fiziksel taleplerine dayanmak için fiziksel kapasitelerini korumak ve geliştirmek için sürekli olarak sıkı antrenmanlar. Bir eğitim uyaranının yeterli iyileşme ile birlikte doğru uygulanması, insan vücudunun adaptasyonuna yol açan yanıtlara neden olur, fitness ve performansı artırır9. Aksine, bir eğitim uyaranı ile iyileşme arasındaki dengesizlik, hem profesyonel hem de amatör takım sporu sporcularında yaralanma riskini artıran uzun süreli yorgunluğa ve istenmeyen bir antrenman tepkisine (maladaptasyon) yol açabilir10,11,12,13.

Yüksek antrenman ve maç uyaranlarının eşlik ettiği en büyük risklerden biri kas zorlanması yaralanmalarıdır. Kas zorlanması yaralanmaları, takım sporlarındaki tüm zaman kaybı yaralanmalarının üçte birinden fazlasını oluşturur ve toplam yaralanma yokluğunun dörtte birinden fazlasına neden olur, hamstrings en sık dahil olan14 , 15,16,17. Ayrıca, hamstring suşu yaralanmasını sürdüren sporcuların sayısı her yıl yükselir18,19, hamstring suşu yaralanmalarını önlemek için birden fazla program getirilmesine rağmen12,13,20,21. Sonuç olarak, bu sportif22 ve finansal23 perspektiften olumsuz bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, bireysel sporcuların yeterli izlenmesi, antrenman programlarını optimize etmek, yaralanma riskini en aza indirmek ve performansı optimize etmek için gereklidir.

Takım sporlarında mevcut sporcu izleme uygulaması esas olarak yerel veya küresel konumlandırma sistemleri tarafından ölçülen pozisyon verilerine dayanmaktadır24,25. Bu sistemler, kapsanan mesafe, ortalama çalışma hızı veya PlayerLoad26 , 27,28gibi ivmeölçme tabanlı ölçümler gibi GPS tabanlı metriklerle etkinliği izler. Bu önlemlerin bir dezavantajı, daha düşük ekstremite kinematik içermemeleridir. Optoelektronik ölçüm sistemleri, doğrusal sprint29,30 , 31,32 sırasında alt ekstremitelerin kinematik analizini yapmak için altın bir standart görevigörmektedir. Bu sistemlerin dezavantajları, kısıtlı ölçüm alanları, sistemi çalıştırmak için bir uzmana ihtiyaç duymaları ve zaman alan veri analizi nedeniyle ekolojik geçerlilik eksikliğidir. Bu nedenle, bu yöntem günlük spor uygulamaları için uygun değildir.

Sensör teknolojisindeki hızlı gelişim, sporcuları izlemek için mevcut yöntemlerin sınırlamalarını aşabilir. Ataletsel ölçüm birimlerinin (IMU) son zamanlardaki güvenilirliği, minyatürleştirilmesi ve veri depolama olanakları, sensör teknolojisinin saha içi uygulanmasını sağlar. IMU’lar sırasıyla33, 34olmak üzere üç ortogonal eksende ivmelenmeyi, açısal hızı ve manyetik alanı ölçen bir ivmeölçer, jiroskop ve manyetometre içerir. Vücut segmentlerine güvenli bir şekilde sabitlenmiş sensörler, sensör füzyon algoritmaları ve biyomekanik bir model ile eklem kinematiği tahmin etmek mümkündür33. Eklem kinematiğin farklı vücut segmentlerinin hızlanması ile ilgili bilgilerle birlikte tescillenmesi takım sporlarında sporcu takibini artırabilir.

IMU sensör kurulumunu standart bir saha testine bağlayarak, sahada doğrusal sprint sırasında daha düşük ekstremite kinematiklerin nasıl kaydedildiği gösterilebilir, bu da yaralanma riski faktörlerini tanımlamak için yararlı bir önlem olabilir. Sensör kurulumu, profesyonellerin performansı artırmak ve yaralanma riskini en aza indirmek için eğitim programlarını optimize etmek için kullanabileceği mevcut izleme önlemlerine ek bilgi sağlayabilir. Bu nedenle, bu makalenin temel amacı, sahadaki takım sporu sporcularının kalça ve diz eklem kinematiklerini tahmin etmek için ataletsel bir sensör kurulumu göstermektir.

Protocol

Bu bölümde açıklanan tüm yöntemler Groningen Üniversitesi İnsan Hareketi Bilimleri Merkezi etik komitesi tarafından onaylanmıştır (Kayıt numarası: 201800904). 1. Saha testi ve ataletsel ölçüm ünitesi hazırlama Saha testinin başlangıcını belirlemek için birbirinden en az 1 m uzaklıkta iki koni ayarlayın.NOT: Koniler arasındaki 1 m’lik mesafe, konunun saha testinin başlangıç noktasından kolayca çalışmasını sağlar. Bu mesafe test liderinin tercihine göre ayarlanabilir. Ölçüm bandını testin başlangıç noktasından 30 m doğrusal mesafe kat edilene kadar yuvarlayarak alan testinin bitiş noktasını belirleyin. Saha testinin bitiş noktasını belirlemek için birbirinden en az 1 m uzaklıkta iki koni ayarlayın. IMU’ları deneğin vücuduna düzgün bir şekilde bağlanmaya hazırlayın.NOT: IMU boyutları ve ağırlık özellikleri için Malzeme Tablosuna bakın. Streç bandı 10 cm x 10 cm boyutunda 5 parçaya bölün. Çift taraflı yapışkan bandı (örneğin, toupee bandı) kullanılan IPU’ların boyutuna eşit 5 parçaya bölün. Her IMU’ya bir parça çift taraflı yapışkan bant takın. Veri analizi sırasında ayrı ayrı tanınabilmesi için her IMU’yla etiketlenin. 2. Konu hazırlığı Konunun cinsiyeti, yaşı, vücut ağırlığı ve boyu hakkında bilgi edinin. Deneklerden takım sporlarındaki geçmişleri hakkında bir anket doldurmasını isteyin. Dahil etme kriterlerini karşılayan konulardan yazılı bilgilendirilmiş onay alın.NOT: Soru örnekleri: (i) Kaç yıl futbol oynuyorsunuz? (ii) Hangi seviyede futbol oynuyorsunuz? (iii) Son 6 ay içinde haftada kaç saat futbol antrenmanı yapıyorsunuz? (iv) Oyun pozisyonunuz nedir? (v) Son 6 ay içinde herhangi bir ağrı yaşadınız mı veya alt ekstremitede kas-iskelet sistemi yaralanması geçirdiniz mi? Konunun ekleme ölçütlerini karşılayıp karşılamadığını belirleyin.NOT: Protokolün yürütülmesinden önceki 6 ay içinde alt ekstremitelerde kas-iskelet sistemi yaralanmaları veya ağrıları yaşamadıkları zaman konuları dahil edin; Denekler amatör düzeyde rakip takım sporlarında 1 yıldan fazla deneyime sahip olmalıdır. Denekten spor kıyafetlerine (örneğin, futbol forması, futbol şortları ve futbol ayakkabıları) dönüşmesini isteyin.NOT: Sensörler kaval kemiğine yerleştirileceğinden, futbol çorapları istenmez. IMU’ları öznenin gövdesine bağlanmak için hazırlayın. 5 IMU’nun tümlerini yan yana hizalayın. Sensörün üstündeki bir düğmeye basarak beş IMU’yu da aynı anda etkinleştirin. Yeşil ışık yanıp sönmediğinde sensör etkinleştirilir.NOT: Şu andan itibaren, her IMU 500 Hz’deki verileri örnekler. Test tamamlandıktan sonra verilerin bir dizüstü bilgisayara veya bilgisayara yüklenmesi gerekir. Sert bir yüzeydeki tüm IMA’lara aynı anda dokunarak (örneğin, bir tabloda) mekanik bir tepe oluşturulduğundan emin olun.NOT: IMU sinyallerini senkronize etmek için mekanik tepe gereklidir. IMU sinyallerinin senkronizasyonu veri işleme sırasında gerçekleştirilir (bölüm 5). Piyasada bulunan sensörler kullanıldığında bu bölüm gerekli değildir. Bu durumda, sensörleri senkronize etmek için ilgili yazılımı kullanın. IMU’ları konunun gövdesine takın (Şekil 1). Öznenin vücut kıllarını aşağıdaki anatomik konumlarda tıraş edin: her iki arka üstün iliak diken arasındaki sakrumda, hem sağ hem de sol kaval kemiğinin anteromedial kemikli kısmı ve hem sağ hem de sol uyluğun lateral kısmı (yani, tractus illiotibialis).NOT: Sensörlerin yerleştirilmesi gereken anatomik konumlar palpasyon ile belirlenebilir. Adım 2.5.1’de açıklanan anatomik yerlere yapışkan sprey püskürtün. Yapışkan spreyin kuru olduğundan emin olmak için 5−10 s bekleyin.NOT: Spreyi ciltten en az 10 cm (4 inç) uzakta tutun ve istediğiniz bölgeyi süpürme hareketiyle püskürtün. Çift taraflı yapışkan bandın koruyucu tabakasını IMUs’tan çıkarın. IMU’yu tarif ettiği anatomik yerlere yerleştirin. Anatomik konumu IMU’nun ilgili etiketiyle yazın (örneğin, sağ sap: IMU 1). Sensörün cilde ek olarak sabit olduğundan emin olmak için germe bandını her IMU’nun üzerine takın. 3. IMU sensör kalibrasyonu Deneğe, ayakları kalça genişliği ayrı ve elleri yanlarında olacak şekilde nötr bir pozisyonda durmalarını söyleyin. Bu pozisyonu en az 5 sn süre koruyun. Deneğe sol kalçalarını ve dizlerini sagittal düzlemde 90° açıya esnetmelerini ve ardından kalçayı adım 3.1’de açıklandığı gibi nötr konumlarına uzatmalarını söyleyin.NOT: Kinematik değişkenlerin tanımları için bkz. Sağ kalça ve diz için 3.2. Katılımcıya gövdesini yere doğru esnetmesi ve tarafsız konumuna geri dönmesi için talimat verin. En az 5 sn’lik bir süre bekleyin. 3.1−3.5 adımlarını bir kez yineleyin. 4. 30 m doğrusal sprint testini yürütün Konuya ısınma gerçekleştirmesini söyleyin (örneğin, futbola özgü FIFA 11+ ısınma programı20). Konuyu test protokolü hakkında bilgilendirin. Test sırasında bir yaralanmanın devam etme riskinin normal eğitimden daha yüksek olmadığını ve konunun herhangi bir neden göstermeden herhangi bir zamanda testi iptal edebileceğini açıkça belirtin. Deneğin doğru başlangıç pozisyonunda durmasını, tercih edilen ayağının başlangıç çizgisinde, omuzlarının ise sahadaki başlangıç çizgisinin arkasında durmasını söyleyin. Deneğe, test liderinin 3’ten 0’a kadar geri sayacağını ve ardından ‘Başlat’ diye bağıracağını söyleyin. ‘Başlangıç’ çağrıldığında testin başladığını söyleyin. 30 m bitiş noktasına ulaşılana kadar konuyu mümkün olduğunca hızlı sprinte bildirin. 30-m bitiş noktasına ulaşıldıktan sonra, konu durma pozisyonuna mümkün olduğunca hızlı bir şekilde delerate etmek zorundadır. Öznenin soru sormasına izin verin. Gerekirse, öznenin konuyu protokole alıştırmak için bir alıştırma çalıştırması gerçekleştirmesine izin verin. Talimatlar açık mı diye sorun. Konunun doğru başlangıç konumunda olduğundan emin olun. ‘3’ten ‘0’a geri say ve testi başlatmak için ‘Başlat’ diye bağırın. Başlangıç işareti verildiğinde zamanlayıcıyı başlatın. Maksimum performans elde etmek için konuyu teşvik edin. Katılımcı durma konumuna ulaştığında zamanlayıcıyı durdurun. Üç sprint gerçekleştirilene kadar 4.4−4.6 adımlarını yineleyin.NOT: Katılımcıların denemeler arasında en az 2 dakika dinlenmesine izin verin. Veri analizi için en hızlı sprint’i ekleyin. Deneğe bir soğutma gerçekleştirmesini söyleyin. Streç bandı ve çift taraflı yapışkan bandı öznenin gövdesinden çıkararak IMU’ları konudan ayırın. 5. Veri işleme IMU’yu bir USB kablosu kullanarak bir bilgisayara bağlayın. Ham IMU verilerini bilgisayardaki belirli bir klasöre verin. MATLAB’ı (sürüm r2018b) açın. Ham IMU veri dosyalarını (örneğin, ivmeölçer, jiroskop ve manyetometre verileri) içe aktarın. Ham IMU veri dosyalarını eşitleyin. Bir sensörün (örneğin pelvis sensörü) ivme veri dosyasını içe aktarın. X, Y ve Z ivme sinyallerini farklıleştirerek sarsıntıyı hesaplayın. X, Y ve Z hıyarını özetle. Toplam sarsıntının maksimum değerine ulaştığı veri dosyasında dizin değerini bularak mekanik tepe noktasını elde edin. Dizin değeri ölçümün başlangıcıdır. Sensörün indeks değerinden önce ivme verilerinin, manyetometre verilerinin ve jiroskop verilerinin tüm veri noktalarını silin. İlgili sensörün her ham veri dosyası için 5.3.1−5.3.3 adımlarını yineleyin. Her veri dosyası için örneklenen veri noktalarının sayısını elde ederek hangi sensörün en düşük miktarda veri noktası içerdiğini belirleyin. Sinyalleri en kısa süre için kaydeden sensörün boyutuna eşit diğer tüm veri dosyalarını kesin. Jiroskop verilerini, 12 Hz kesme frekanslı ikinci bir düşük geçişli Butterworth filtresi kullanarak filtreleyin.NOT: Filtre ve belirli kesme frekansı, önceki pilot deneylerde görsel veri incelemesine göre seçilmiştir. Bir Madgwick filtresi35kullanarak sensörün oryantasyon quaternionunu hesaplayarak küresel dünya çerçevesine göre sensör yönünü elde edin.NOT: Küresel toprak çerçevesine göre sensör yönünün nasıl hesaplandığının kapsamlı bir açıklaması Madgwick ve ark.35 .’deaçıklanmıştır. Sensör koordinat çerçevesini gövde segmentine hizalayın. Konu kalibrasyon sırasında hareketsiz dururken veri dosyasının dizin numaralarını seçin (adım 3.1).NOT: Sensörün boyuna ekseninin yerçekimi vektörüne benzer olduğu varsayılıyor. Statik kalibrasyon sırasında her sensörün genel referans çerçevesine göre ortalama yönünü hesaplamak için 5.6.1 adımının dizin numaralarını kullanın. Ardından, statik kalibrasyon sırasında küresel referans çerçevesiyle hizalanması için her sensörün sensör çerçevesini döndürün. Sol bacağın kalibrasyon hareketi gerçekleştirildiğinde veri dosyasının dizin numaralarını seçin (adım 3.2). Sol bacak sensörlerinin yönünü kalibrasyon hareketinin yalnızca ön eksende bir dönüş olacak şekilde döndürün. Sağ bacak ve gövdenin kalibrasyon hareketleri için 5.6.3 ve 5.6.4 adımlarını tekrarlayın. Distal vücut segmentinin yönünü her eklem için proksimal segmentin koordinat çerçevesinde ifade ederek eklem yönelimleri elde edin. Elde edilen eklem yönelimlerini ‘XZY’ Euler açılarına ayrıştırarak eklem açıları elde edin.NOT: Elde edilen eklem yönelimlerinin ‘XZY’ Euler açılarına nasıl ayrıştırılacağı Diebel36’nınçalışmasında açıklanmıştır. Her distal segmentin jiroskop sinyallerini, ilgili proksimal segmentinin koordinat çerçevesinde ifade eden eklem açısal hızları elde edin, proksimal segmentin açısal hızı eksi. Doğrusal sprint sırasındaki her adımı bir adım algılama algoritması kullanarak tanımlayın. MATLAB’da filtrelenmiş jiroskop verilerini içe aktarın. Jiroskop sinyaldeki tepeleri tanımlamak için bir tepe algılama işlevi kullanın.NOT: Tepe yüksekliği 286,5 °·s-1 olarak, minimum pik mesafesi ise 100 örnek (= 0,2 sn) olarak belirlenmiştir. Her adım için kalça açısı, diz açısı, kalça açısal hızı ve diz açısal hızı için maksimum değeri hesaplayın. Her adım için kalça açısı, diz açısı, kalça açısal hızı ve diz açısal hızı için minimum değeri hesaplayın. Her adım için minimum kalça açısını maksimum kalça açısından çıkararak kalça hareket aralığını hesaplayın. Her adım için minimum diz açısını maksimum diz açısından çıkararak diz hareket aralığını hesaplayın. İşlenen verileri, daha fazla çözümleme için kullanmak üzere bilgisayardaki belirli bir klasöre kaydedin. 6. Veri analizi İşlenen IMU verilerini MATLAB’da içe aktarın. Sprint’i, adım algılama algoritması tarafından tanımlanan adımlara göre bir hızlanma, en yüksek hız ve yavaşlama aşamasına bölün.NOT: Bu makaledeki sprint aşamaları keyfi olarak seçildi. Hızlanma aşaması adım 3 ila 837olarak tanımlanırken, yavaşlama aşaması sprintin son sekiz adımı olarak tanımlanır. En yüksek hız verileri, bu aşamalar arasında gerçekleştirilen adımlardan türetilmiştir. Veri analizi için açısal hız verilerini seçin. 30 m doğrusal sprint testinin her aşamasında tüm adımların kinematik değişkenlerinin ortalama değerlerini ve standart sapması hesaplayın. Açı verileri için 6.3 ve 6.4 adımlarını yineleyin.

Representative Results

Beş konu (hepsi erkek; tüm futbolcular; yaş 22.5 ± 2.1 yıl; vücut kütlesi 77.0 ± 3.8 kg; yükseklik 184.3 ± 5.2 cm; antrenman deneyimi 15.3 ± 4.8 yıl) maksimum 30 m lineer sprint gerçekleştirdi. Hızlanma sırasında kalça açıları 100,5° (± 8°) maksimum fleksiyon ve 183,1° (± 8°) maksimum uzatma arasında değişmektedir. 104,1° (± 8°) maksimal fleksiyon ve 195° (± 8°) maksimum uzatma, 128,4° (± 11°) maksimum fleksiyon ve yavaşlama sırasında 171,9° (± 23°) minimum esneme. Hızlanma sırasında kalça açısal hızları 744,9 °·s-1 (± 154 °·s-1)ve –578 °·s-1 (± 99 °·s-1)arasında değişmektedir, 802,6 °·s-1 (± 192 °·s-1)ve -674,9 °·s-1 (± 130 °·s-1)pik hız, ve 447,7 °·s-1 (± 255 °·s-1)ve -430,3 °·s-1 (± 189 °·s-1)zamanları. Ayrıca, diz açıları hızlanma sırasında 73,5° (± 12°) maksimum fleksiyon ve 162,6° (± 7°) minimum fleksiyon arasında değişmektedir. 62,8° (± 12°) maksimal fleksiyon ve 164,8° (± 6°) maksimum esneme ve 81,1° (± 16°) maksimum fleksiyon ve yavaşlama sırasında 168,6° (± 12°) minimum fleksiyon. Hızlanma sırasında diz açısal hızı 935,8 °·s-1 (± 186 °·s-1)ile -1137,8 °·s-1 (± 214 °·s-1)arasında değişir, 1155,9 °·s-1 (± 200 °·s-1)ve -1208,2 °·s-1 (± 264 °·s-1)arasında, ve 1000.1 °·s-1 (± 282 °·s-1) ve -1004.3 °·s-1 (± 324 °·s-1). Şekil 3, doğrusal 30 m sprint testinin bir denemesinin sürekli kinematik verilerini gösterirken, Şekil 4 ve Şekil 5, bir denemenin hızlanması, en yüksek hızı ve yavaşlaması sırasında bir adım döngüsünün kinematik verilerini göstermektedir. Şekil 1: Sensör yerleşiminin gösterimi. (A) Sağ ve sol sapta sensör yerleşimi. (B) Pelvise ve sağ ve sol uyluğa sensör yerleştirilmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 2: Kalça ve diz eklem açıları ve açısal hızlar için tanımlar. (A) Sagittal düzlemdeki nötr pozisyonun temsili. Nötr konumdaki eklem açıları 180°’dir. (B) Kalça eklemi (kalça), diz eklemi (diz) ve hareket aralığı (ROM) temsili. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3: Hızlanma, pik hız ve yavaşlama aşamasında bir denemenin sprint kinematiklerinin görselleştirilmesi. Asteriks, bir adımın ne zaman algılandığını gösterir. (A) Zaman içinde sol ve sağ kalça fleksiyonu ve uzatma açıları. (B) Zaman içinde sol ve sağ kalça açısal hızları. (C) Zamanla sol ve sağ diz açıları. (D) Zamanla sol ve sağ diz açısal hızları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: Hızlanma, pik hızlanma ve yavaşlama sırasında kalça eklem açısı (°) ve bir adımın açısal hızlarının (bükülme/uzatma) gösterildiği kutup arsası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 5: Hızlanma, pik hızlanma ve yavaşlama sırasında diz eklem açısının (°) ve bir adımın açısal hızlarının (bükülme/uzatma) gösterildiği kutup arsası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Takım sporlarında sporcuları izlemek için mevcut yöntemler, yaralanma-risk faktörlerini tanımlamak için yararlı bir önlem olabilecek daha düşük ekstremite kinematik kaydetmez. Sprint sırasında alt ekstremite kinematiği analiz etmek için altın standart optoelektronik ölçüm sistemleri29,30,31,32 ‘dir. Optoelektronik ölçüm sistemleri altın standart olarak hizmet verse de, bu sistemler kısıtlı ölçüm alanları nedeniyle ekolojik geçerlilikten yoksundur. Bu makalede sunulan sensör kurulumu, mevcut ölçüm sistemlerinin sınırlamalarını aşıyor ve nispeten ucuz. Sensör kurulumu ile ölçülen alanda daha düşük ekstremite kinematik kaydetme imkanı sporcu izleme pratiğini geliştirebilir.

Sprint kinematik29, 31,37,38,39’unincelendiği önceki çalışmalarda 210° uzatma ile90° fleksiyon arasında değişen kalça açıları bildirilmiştir. Ayrıca, bu çalışmalarda 160° minimal fleksiyon ve 40° maksimal fleksiyon arasında değişen diz açıları bildirilmiştir. Bu çalışmada gözlemlenen değerler daha önce bildirilen aralıktadır. Bir çalışmada 38,-590 °·s -1 ila 700 °·s-1 arasında değişen kalça açısal hızları ve -1.000 °·s -1 ila1.100 °·s-1arasında değişen diz açısal hızları bildirilmiştir. Bu çalışmada gözlemlenen değerler daha yüksek olmasına rağmen, zaman içinde benzer bir eğilim göstermektedir. Yöntem doğrulanmıştır ve sahada sporcu izleme için kullanılabilir40.

Mevcut çalışmanın ele alınması gereken bazı sınırlamaları vardır. İlk olarak, kullanılan IMU’ların özellikleri dışında, kullanıcılar IMU’lardan türetilen sinyallerin olası uygulama aralığını sınırlayan birkaç hata kaynağından etkilendiğinin farkında olmalıdır41. İlk olarak, kemiklerin etrafındaki yumuşak dokuların salınımı (yani yumuşak doku eserleri42)kinematiğin kaydını etkileyebilir. Bu nedenle, IMU’ların protokolde açıklanan adımlara göre konunun gövdesine dikkatlice eklenmesi önemlidir. Gerekli adımlar atılmasına rağmen, mevcut çalışmanın hatalı sensör hareketini önlemek için ekstra elastik kayışlar içermediği belirtilmelidir. Bu, sonuçları iyileştirebilir ve bu çalışmanın bir sınırlaması olarak görülebilir. İkincisi, diğer cihazlardan (özellikle binaların içinde) kaynaklanan ferromanyetik bozukluklar, IMU’nun manyetometresinin ölçülen manyetik alan vektörün büyüklüğünü veya yönünü değiştirir, böylece tahmini oryantasyonda hatalara neden olur43. Bu nedenle ferromanyetik rahatsızlık kaynaklarından mümkün olduğunca kaçınılmalıdır. Ayrıca, sensörlerin zemin yüzeyine temas etmesi sonucu deriden kopacağından, sensör kurulumunun kayar müdahaleler için geçerli olmadığı belirtilmelidir. Bu nedenle, katılımcılara küçük taraflı oyunlar sırasında kayan müdahaleler yapmamaları talimatı verilmelidir. Bu sorun için olası bir çözüm, sensör kurulumunu akıllı giysilere (yaniAkıllı Sensör Taytlarına) entegre etmek olabilir.

Sensör kurulumu ile elde edilen kinematik değişkenler, sahadaki sporcuları izlemek için segmenter bir modelde kullanılabilir. Önceki araştırmalar, bir futbol maçı simülasyonunun her yarısından sonra azaltılmış maksimum kombine kalça fleksiyonu ve diz uzatma açısı (yani teorik hamstring uzunluğu) buldu44. Aynı çalışmada, her yarının uçlarında sap açısal hızında bir artış gözlenmiştir. Daha düşük hamstring uzunluğu, artan bir sap hızı ile birlikte yorgunluktan sonra aşırı hamstring gerginliği riskinin arttığını gösterebilir. Sprint kinematikte bu tür değişiklikler, ataletsel ölçüm birimi (IMU) tahrikli segmental model kullanılarak bir alan ayarında algılanabilir. Eklem kinematiklerindeki değişikliklerin yanı sıra, bir bütün olarak vücuda etki eden kuvvetler de tahmin edilebilir. Zemin reaksiyon kuvvetleri (GRF), toplam kas-iskelet sisteminin yaşadığı biyomekanik yüklemeyi tanımlar ve Newton’un ikinci hareket yasası (yani, F = m · a) kullanılarak tahmin edilebilir. Çalıştırmada mevcut araştırma, sprint performansını optimize etmek için GRF tahminini kullandı45,46 veya potansiyel yaralanma riskini değerlendirmek47,48,49,50. Bu çalışmalar yükleme oranlarının, dikey darbe kuvveti zirvelerinin ve yatay kırılma kuvvetlerinin kas-iskelet aşırı kullanım yaralanmaları ile ilişkili olduğunu göstermektedir. Son derece dinamik takım sporuna özgü hareketler sırasında GRF’yi doğru tahmin etmek zor olsa da51,52, sahadaki ölçümler sırasında bu değişkenleri izleme imkanı, performansı optimize etmek veya yaralanmaları önlemek için yeni bilgiler sağlayabilir.

Bu makalede sunulan sonuçlar, doğrusal bir sprint sırasında alt ekstremite kinematiklerinin izlenmesiyle sınırlıdır ve hamstring gerinim yaralanma mekanizmasına odaklanmaktadır. Bununla birlikte, kalça ve kasık yaralanmalarının takım sporlarında da sıklıkla meydana geldiği belirtilmelidir14,17,53,54,55. Bu yaralanmalar muhtemelen tekmeleme ve yön değiştirmenin tekrarlayan katılımından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, gelecekteki araştırmalar sadece hamstring gerinim yaralanması mekanizması ile ilişkide sprinte odaklanmalarını sınırlamamalı, aynı zamanda yön değişikliği görevleri56 ve kalça ve kasık yaralanmaları ile ilgili olarak 57,58,59 tekmeleme ile ilgili bilgileri genişletmeye odaklanmalıdır.

Sonuç olarak, bu sensör kurulumu akıllı giysilere entegre edilebilir. Akıllı giysiler, takım sporuna özgü görevler sırasında sahada daha düşük ekstremite kinematik kaydetmeyi sağlayabilir ve bu da gelecekte sporcuları izlemeyi geliştirebilir. Bu, günlük spor ortamında profesyonellerin antrenman programlarını değerlendirmelerine ve yaralanma riskini azaltmayı amaçlayarak optimize etmelerine yardımcı olabilir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar, Hollanda ulusal araştırma kuruluşu (NWO) tarafından sağlanan finansman kaynaklarını çok şükür kabul etmek istiyor. Ayrıca, yazarlar hollanda Kraliyet Futbol Federasyonu’na (KNVB) araştırma tesislerine erişim sağlayarak araştırma programını kolaylaştırdığı için teşekkür etmek istiyor. Son olarak, yazarlar Thijs Wiggers’ı araştırma programına katkılarından dolayı çok şükür kabul etmek istiyor.

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