Name: an inertial measurement unit based method to estimate hip and knee joint kinematics in team sport athletes on the field
Uploaded: 2020-05-26T13:00:00
Duration: 6 min 52 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Inertial Measurement Unit Based Method to Estimate Hip and Knee Joint Kinematics in Team Sport Athletes on the Field at JoVE.com

Авторы хотели бы с благодарностью отметить источники финансирования, предоставленные голландской национальной исследовательской организацией (НВО). Кроме того, авторы хотели бы с благодарностью отметить Голландскую королевскую футбольную ассоциацию (KNVB) за содействие осуществлению исследовательской программы путем предоставления доступа к их научно-исследовательским учреждениям. Наконец, авторы хотели бы с благодарностью отметить Thijs Wiggers за его вклад в исследовательскую программу.

Авторов нечего раскрывать.

Современные методы мониторинга спортсменов в командных видах спорта не регистрируют кинематику нижних конечностей, что может быть полезной мерой для выявления факторов риска травматизма. Золотым стандартом для анализа кинематики нижних конечностей во время спринта являются оптико-электронныеизмерительные системы 29,30,31,32. Хотя оптоэлектронные измерительные системы служат золотым стандартом, эти системы не имеют экологической обоснованности из-за их ограниченной зоны измерения. Настройка датчика, представленная в данной статье, преодолевает ограничения текущих измерительных систем и является относительно дешевой. Возможность регистрации кинематики нижних конечностей в полевых условиях, измеряемая установкой датчика, может улучшить практику наблюдения за спортсменом.
Предыдущие исследования, которые рассмотрели спринткинематики 29,31,37,38,39 сообщили бедра углы в диапазоне от 210 "расширение до 90" сгибания. Кроме того, эти исследования сообщили коленных углов, начиная от 160 "минимальной сгибания и 40" максимальной сгибания. Значения, наблюдаемые в данном исследовании, находятся в пределах ранее зарегистрированного диапазона. В одномисследовании 38 сообщили бедра угловые скорости, начиная от-590 -1 до 700с -1 и колено угловых скоростей, начиная от -1,000s -1 до 1100s -1. Хотя значения, наблюдаемые в этом исследовании, были выше, они показывают аналогичную тенденцию с течением времени. Метод был проверен и может быть использован для мониторинга спортсмена в поле40.
Нынешнее исследование имеет некоторые ограничения, которые необходимо решить. Во-первых, помимо характеристик используемых IMUs, пользователи должны знать, что сигналы, полученные от IMUs, влияют на несколько источников ошибок, которые ограничивают возможный диапазон приложений41. Во-первых, колебания мягких тканей вокруг костей (т.е. артефактымягких тканей 42) могут повлиять на регистрацию кинематики. По этой причине важно тщательно прикрепить ИМУ к телу субъекта в соответствии с шагами, описанными в протоколе. Хотя были предприняты необходимые шаги, следует отметить, что нынешнее исследование не включает в себя дополнительные эластичные ремни для предотвращения ошибочного движения датчиков. Это может улучшить результаты и может рассматриваться как ограничение этого исследования. Во-вторых, ферромагнитные возмущения от других устройств (главным образом внутри зданий) меняют величину или направление измеренного вектора магнитного поля магнитометра ИДУ, вызывая тем самым ошибки в расчетнойориентации 43. Поэтому источников ферромагнитного возмущения следует избегать как можно больше. Кроме того, следует отметить, что установка датчика не применима к раздвижным снастям, так как датчики отсоединяются от кожи в результате контакта с поверхностью земли. Таким образом, участники должны быть проинструктированы не выполнять раздвижные снасти во время небольших односторонних игр. Возможным решением этой проблемы может быть интеграция настройки датчика в смарт-одежду (т.е. smart Sensor Tights). 
Кинематические переменные, полученные с помощью установки датчика, могут быть использованы в сегментальной модели для мониторинга спортсменов в полевых условиях. Предыдущие исследования показали снижение максимального комбинированного сгибания тазобедренного сустава и угла расширения колена (т.е. теоретической длины подколенного сухожилия) после каждой половины симуляциифутбольного матча 44. В том же исследовании, увеличение хвостовика угловой скорости наблюдается в конце каждой половины. Нижняя длина подколенного сухожилия в сочетании с повышенной скоростью хвостовика может указывать на повышенный риск чрезмерного напряжения подколенного сухожилия после усталости. Такие изменения в спринтерской кинематике могут быть обнаружены в полевых условиях с использованием инерциальной единицы измерения (ИДУ), управляемой сегментальной моделью. Помимо изменений в совместной кинематике, можно оценить и силы, которые действуют на организм в целом. Силы наземной реакции (GRF) описывают биомеханическую нагрузку, с которыми столкнулась общая опорно-двигательная система, и могут быть оценены с помощью второго закона движения Ньютона (т.е. F и m a). Текущие исследования в управлении использовали grF оценкидля оптимизации производительности спринта 45,46 илиоценки потенциального риска травмы 47,48,49,50. Эти исследования показывают, что скорость погрузки, вертикальные пики силы удара и горизонтальное нарушение силы связаны с повреждениями опорно-двигательного мозга. Хотя это вызов для точной оценки GRF во время высокодинаминых командно-спортивных конкретных движений51,52, возможность мониторинга этих переменных во время измерений на поле может предоставить новую информацию для оптимизации производительности, или для предотвращения травм.
Результаты, представленные в этой работе, ограничиваются мониторингом кинематики нижних конечностей во время линейного спринта, сосредоточив внимание на механизме травмы подколенного сухожилия. Однако следует отметить, что травмы бедра и паха также часто встречаютсяв командных видах спорта 14,17,53,54,55. Эти травмы, вероятно, вызваны повторяющимся участием ногами и изменение направления. Таким образом, будущие исследования должны не только ограничить их внимание на спринте в отношениях с механизмом травмы подколенного сухожилия деформации, но и сосредоточиться на расширении знаний относительно изменениянаправления задач 56 иногами 57,58,59 в отношениях с бедра и паха травм.
В заключение, эта установка датчика может быть интегрирована в смарт-одежды. Интеллектуальная одежда может позволить зарегистрировать кинематику нижних конечностей в поле во время командных спортивных конкретных задач, которые могли бы улучшить мониторинг спортсменов в будущем. Это может помочь профессионалам в ежедневной спортивной обстановке оценить свои учебные программы и оптимизировать их, с целью снижения риска травматизма.

Командные виды спорта (например, футбол и хоккей на траве) характеризуются чередованием кратких взрывных действий, таких как высокоинтенсивный бег или спринт, с более длительными периодами менее требовательных видов деятельности, таких как ходьбаили бег трусцой1,2,3,4,5,6. За последние десятилетия физические требования игры развивались с большим расстоянием, пройденное на высокой скорости и спринте, более быстрыми скоростями мяча иболее проходит 7,8.
Спортсмены постоянно упорно тренируются, чтобы поддерживать и улучшать свою физическую способность выдерживать физические требования игры. Правильное применение учебного стимула в сочетании с достаточным восстановлением вызывает реакции, которые приводят к адаптации человеческого организма, улучшению физической подготовки ипроизводительности 9. Напротив, дисбаланс между тренировочным стимулом и восстановлением может привести к длительной усталости и нежелательной реакции тренировки (maladaptation), что увеличивает риск травм как у профессиональных, так и любительских спортсменовкоманды спорта 10,11,12,13.
Одним из основных рисков, сопровождаемых высокой подготовки и матч стимулы мышечной деформации травм. Травмы мышечного напряжения составляют более трети всех травм потери времени в командных видах спорта и вызывают более четверти общего отсутствия травмы, с подколеннымисухожилиями является наиболее часто участвующих 14,15,16,17. Кроме того, число спортсменов, которые поддерживают травмы подколенного сухожилия штаммарастет каждый год 18,19, несмотря на то, что несколько программ были введены для предотвращения травмподколенного сухожилия деформации 12,13,20,21. Следовательно, это оказывает негативное влияние состороны спортивных 22 ифинансовых 23 точек зрения. Таким образом, адекватный мониторинг отдельных спортсменов имеет важное значение для оптимизации графиков тренировок, минимизации риска травматизма и оптимизации производительности.
Текущая практика мониторинга спортсменов в командных видах спорта в основном основана на данных о позициях, измеренных местными илиглобальными системами позиционирования 24,25. Эти системы контролируют активность с помощью GPS-метрик, таких как пройденное расстояние, средняя скорость бега или метрики на основе акселерометрии, такие как PlayerLoad26,27,28. Недостатком этих мер является то, что они не включают кинематику нижних конечностей. Оптоэлектронные измерительные системы служат золотым стандартом для выполнения кинематический анализ нижних конечностей вовремя линейного спринта 29,30,31,32. К недостаткам этих систем можно сказать об отсутствии экологической обоснованности в связи с их ограниченной зоной измерения, необходимостью эксперта для эксплуатации системы и трудоемким анализом данных. Таким образом, этот метод не подходит для ежедневной спортивной практики.
Быстрое развитие сенсорных технологий может преодолеть ограничения современных методов мониторинга спортсменов. Недавняя надежность, миниатюризация и возможности хранения данных инерциальных измерительных блоков (ИДУ) позволяют в полевых условиях использовать сенсорную технологию. IMUs содержат акселерометр, гироскоп и магнитометр, которые измеряют ускорение, угловую скорость и магнитное поле, в трех ортогональныхосей соответственно 33,34. С датчиками, надежно закрепленными на сегментах тела, алгоритмами синтеза датчиков и биомеханической моделью, можно оценить совместнуюкинематику 33. Регистрация совместной кинематики в сочетании с информацией об ускорении различных сегментов тела может улучшить мониторинг спортсменов в командных видах спорта.
Соелыкав установку датчика ИДУ со стандартизированным полевым тестом, можно проиллюстрировать, как кинематика нижних конечностей регистрируется во время линейного спринта в полевых условиях, что может быть полезной мерой для выявления факторов риска травматизма. Установка датчиков может предоставить дополнительную информацию для текущих мер мониторинга, которые специалисты могут использовать для оптимизации графиков тренировок для повышения производительности и минимизации риска травматизма. Поэтому основной целью данной статьи является продемонстрировать инерциальную установку датчика для оценки кинематики тазобедренного и коленного суставов спортсменов командного спорта на местах.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Computer software</td>
			<td>The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td>Matlab Version 2018b</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cones</td>
			<td>Nike</td>
			<td></td>
			<td>n = 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-sided adhesive tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>For attaching IMUs on the skin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inertial Measurement Units</td>
			<td>MPU-9150, Invensense, San Jose, California, United States</td>
			<td></td>
			<td>n = 5; Dimensions: 3.5 x 2.5 x 1.0 cm; Weight: 0,011 kg; Sample frequency: 500Hz; Accelerometer: &#177; 16 G, Gyroscope: &#177; 2000 &#176;/s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Measuring tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Minimal length: 30 meters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pre-tape spray</td>
			<td>Mueller Tuffner, Mueller Sports Medicine, Inc., Wisconsin, United States</td>
			<td></td>
			<td>Contents: 283 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stretch Tape</td>
			<td>Fixomull, BSN Medical, Almere, The Netherlands</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an inertial measurement unit based method to estimate hip and knee joint kinematics in team sport athletes on the field

Нынешняя практика мониторинга спортсменов в командных видах спорта в основном основана на позиционных данных, измеряемых глобальным позиционированием или местными системами позиционирования. Недостатком этих измерительных систем является то, что они не регистрируют кинематику нижних конечностей, что может быть полезной мерой для выявления факторов риска травматизма. Быстрое развитие сенсорных технологий может преодолеть ограничения нынешних систем измерения. С помощью инерциальных измерительных блоков (IMUs), надежно закрепленных на сегментах тела, алгоритмов синтеза датчиков и биомеханической модели можно оценить киноматику суставов. Основной целью данной статьи является продемонстрировать установку датчика для оценки кинематики тазобедренного и коленного суставов спортсменов командного спорта в полевых условиях. Пять мужчин (возраст 22,5 ± 2,1 года; масса тела 77,0 ± 3,8 кг; рост 184,3 ± 5,2 см; тренировочный опыт 15,3 ± 4,8 года) выполнили максимальный 30-метровый линейный спринт. Бедра и коленные суставы углы и угловые скорости были получены пять IMUs размещены на таз, как бедра и оба хвостовика. Углы тазобедренного сустава варьировались от 195 "(± 8 ") расширение до 100,5 "(± 8 ") сгибание и колено углы варьировались от 168,6 "(± 12 ") минимальное сгибание и 62,8 "(± 12 ") максимальное сгибание. Кроме того, угловая скорость тазобедренного сустава колебалась от 802,6до -1 (± 192 градуса по Цельсию-1)и -674,9градусов по Цельсию (± 130градусов по Цельсию -1). Колено угловой скорости колебался между 1155,9с -1 (± 200s -1)и -1208.2 s-1 (± 264s -1). Настройка датчика была проверена и может предоставить дополнительную информацию в отношении мониторинга спортсменов в этой области. Это может помочь профессионалам в ежедневной спортивной обстановке оценить свои учебные программы, с целью снижения травматизма и оптимизации производительности.

Пять предметов (все мужчины; все футболисты; 22,5 ± 2,1 года; масса тела 77,0 ± 3,8 кг; рост 184,3 ± 5,2 см; опыт тренировок 15,3 ± 4,8 года) выполнили максимальный 30-метровый линейный спринт. Углы тазобедренного сустава варьировались от 100,5 "(± 8 ") максимального сгибания и 183,1 "(± 8 ") максимальное расширение во время ускорения, 104,1 "(± 8 ") максимальное сгибание и 195 "(± 8 ") максимальное расширение во время максимальной скорости, и 128,4 "(± 11 ") максимальное сгибание и 171,9 "(± 23 ") минимальное сгибание во время замедления. Хип угловые скорости варьировались от 744,9с -1 (± 154с -1)и -578-1 (± 99-1) во время ускорения, 802,6с -1 (± 192с -1)и -674,9с -1 (± 130-1)на высокой скорости, и 447,7градуса -1 (± 255 градусов по Цельсию-1)и -430,3с -1 (± 189-1)во время замедления.
Кроме того, углы колена варьировались от 73,5 "(± 12 ") максимальной сгибания и 162,6 "(± 7 ") минимальное сгибание во время ускорения, 62,8 "(± 12 ") максимальное сгибание и 164,8 "(± 6 ") минимальное сгибание во время максимальной скорости, и 81,1 "(± 16 ") максимальное сгибание и 168,6 "(± 12 ") минимальное сгибание во время замедления. Угловая скорость колена варьировалась от 935,8до -1 (± 186 градусов по Цельсию-1)и -1137,8-1 (± 214-1)во время ускорения, между 1155.9s -1 (± 200s -1)и -1208.2s -1 (± 264s -1) во время высокой скорости, и 1000.1s -1 (± 282s -1)и -1004.3s -1 (± 324s -1). Рисунок 3 иллюстрирует непрерывные кинематические данные одного испытания линейного 30-метрового спринтерского теста, в то время как рисунок 4 и рисунок 5 иллюстрируют кинематические данные одного цикла шага во время ускорения, максимальной скорости и замедления одного испытания.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig1.jpg"> Рисунок 1: Представление размещения датчиков. (A)Размещение датчика на правом и левом хвостовике. (B)Размещение датчика на тазу, а также на правом и левом бедре. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig2.jpg"> Рисунок 2: Определения для бедер и коленных суставов углов и угловых скоростей. (A)Представительство нейтральной позиции в сагиттаальной плоскости. Совместные углы в нейтральном положении на 180 градусов. (B)Представление тазобедренного сустава (θ бедра), коленного сустава (θ колена) и диапазона движения (ROM). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig3.jpg"> Рисунок 3: Визуализация кинематики спринта одного испытания во время ускорения, верхней скорости и замедления фазы. Астерикс указывает, когда был обнаружен шаг. (A)Левое и правое сгибание бедра и углы расширения с течением времени. (B) Левый и правый бедра угловые скорости с течением времени. (C) Левый и правый углы колена с течением времени. (D) Левое и правое колено угловые скорости с течением времени. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig4.jpg"> Рисунок 4: Полярный участок, в котором угол тазобедренного сустава (к) и угловые скорости (сгибание/расширение) одного шага иллюстрируются во время ускорения, максимальной скорости и замедления. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60857/60857fig5.jpg"> Рисунок 5: Полярный участок, в котором угол коленного сустава (к) и угловые скорости (сгибание/расширение) одного шага иллюстрируются во время ускорения, максимальной скорости и замедления. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60857/60857fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>

Watch this Scientific Journal Video about An Inertial Measurement Unit Based Method to Estimate Hip and Knee Joint Kinematics in Team Sport Athletes on the Field at JoVE.com

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

Мониторинг спортсменов имеет важное значение для повышения производительности и снижения риска травматизма в командных видах спорта. Современные методы мониторинга спортсменов не включают нижние конечности. Присоединение нескольких инерционных измерительных блоков к нижним конечностям может улучшить мониторинг спортсменов в этой области.

Инерционный метод измерения на основе метода оценки кинематики тазобедренного и коленного суставов в командных спортивных спортсменах на поле

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Behavior

Unit 1

Moment of Inertia

SCIENTISTS IN ACTION

Electrophysiological Motor Unit Number Estimation (MUNE) Measuring Compound Muscle Action Potential (CMAP) in Mouse Hindlimb Muscles

Electrophysiological Motor Unit Number Estimation MUNE Measuring Compound Muscle Action Potential CMAP in Mouse Hindlimb Muscles

Электрофизиологические двигателя Блок Количество Оценка (MUNE) Измерение Соединение мышц потенциала действия (CMap) у мыши задних конечностей Мышцы

Compound muscle action potential (CMAP) and motor unit number estimation (MUNE) are electrophysiological techniques that can be used to monitor the ...

Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

Контроль сил и позиция у людей - Роль дополненной Обратная связь

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

A Method for Evaluating the Reinforcing Properties of Ethanol in Rats without Water Deprivation, Saccharin Fading or Extended Access Training

Способ оценки подкрепляющих свойств этанола в Крысы без воды депривации, сахарин выцветания или дополнительного обучения доступа

Operant oral self-administration methods are commonly used to study the reinforcing properties of ethanol in animals. However, the standard methods ...

The Rodent Psychomotor Vigilance Test (rPVT): A Method for Assessing Neurobehavioral Performance in Rats and Mice

The Rodent Psychomotor Vigilance Test rPVT: A Method for Assessing Neurobehavioral Performance in Rats and Mice

Грызун психомоторного Бдительность Test (rPVT): Метод оценки психофизиологические качества у крыс и мышей

The human Psychomotor Vigilance Test (PVT) is a widely used procedure for measuring changes in fatigue and sustained attention. The present article ...

Basic Methods for the Study of Reproductive Ecology of Fish in Aquaria

Основные методы изучения репродуктивной экологии рыб в аквариуме

Captive-rearing observations are valuable for revealing aspects of fish behavior and ecology when continuous field investigations are impossible. Here, a ...

An Automated Method to Determine the Performance of Drosophila in Response to Temperature Changes in Space and Time

An Automated Method to Determine the Performance of Drosophila in Response to Temperature Changes in Space and Time

Автоматизированный метод для определения производительности дрозофила в ответ на изменения температуры в пространстве и времени

Temperature is a ubiquitous environmental factor that affects how species distribute and behave. Different species of Drosophila fruit flies have specific ...

Integrating Visual Psychophysical Assays within a Y-Maze to Isolate the Role that Visual Features Play in Navigational Decisions

Интеграция визуальных психофизических анализов в Y-лабиринт, чтобы изолировать роль, которую визуальные функции играют в навигационных решений

Collective animal behavior arises from individual motivations and social interactions that are critical for individual fitness. Fish have long inspired ...

An Instrumented Pull Test to Characterize Postural Responses

Инструментированные тянуть тест, чтобы характеризовать постуральные реакции

Impairment of postural reflexes, termed postural instability, is a common and disabling deficit in Parkinson's disease. To assess postural reflexes, ...

In Vivo Protocol of Controlled Subconcussive Head Impacts for the Validation of Field Study Data

В протоколе Vivo контролируемых Subconcussive головы воздействий для проверки достоверности данных поля исследования

Subconcussive hits pose a threat to neuronal health as they have shown to induce neuronal structural damage and functional impairment without causing ...

Impact of High-intensity Interval Exercise and Moderate-Intensity Continuous Exercise on the Cardiac Troponin T Level at an Early Stage of Training

Влияние высокоинтенсивных интервальных упражнений и умеренно-интенсивных непрерывных упражнений на уровне сердечного тропонина T на ранней стадии обучения

An elevation in cardiac troponin T (cTnT), as a highly specific biomarker of cardiomyocyte damage, after moderate-intensity continuous exercise (MCE) has ...