监测运动员对于提高团队运动成绩和降低受伤风险至关重要。目前监测运动员的方法不包括下肢。将多个惯性测量单元连接到下肢可以改善对运动员的监测。
目前团队运动中的运动员监测实践主要基于全球定位或本地定位系统测量的位置数据。这些测量系统的缺点是,它们没有记录下肢运动学,这可能是识别伤害危险因素的有用措施。传感器技术的快速发展可以克服当前测量系统的局限性。通过惯性测量单元(IMUs)安全地固定在车身段、传感器融合算法和生物力学模型中,可以估计联合运动学。本文的主要目的是演示一个传感器设置,用于估计田径场上团队运动运动员的臀部和膝盖关节运动学。5个男性科目(年龄22.5±2.1岁:体重77.0±3.8公斤:身高184.3±5.2厘米:训练经验15.3±4.8岁)进行了30米线性冲刺。臀部和膝盖关节角度和角度速度是由放在骨盆上的五个IMUs获得的,大腿和双柄。臀部角度范围从 195° (± 8°) 扩展到 100.5° (± 8°) 弯曲和膝盖角度范围从 168.6° (± 12°) 最小的弯曲和 62.8° (± 12°) 最大弯曲。此外,臀部角速范围介于 802.6 °s-1 (± 192 °s-1)和 -674.9 °s-1 (± 130 °s-1)之间。膝盖角度速度介于 1155.9 °s-s -1 (± 200 °s-1)和 -1208.2 °s-1 (± 264 °s-1)之间。传感器设置已得到验证,可以提供有关运动员在现场监测的其他信息。这可以帮助日常运动环境中的专业人士评估他们的训练计划,旨在减少伤害和优化性能。
团队运动(如足球和曲棍球)的特点是交替的短暂爆炸性动作,如高强度跑步或短跑,较长的步行或慢跑等要求较低的活动时间较长,如步行或慢跑1,2,3,4,5,6。在过去的几十年里,游戏的身体需求随着高速和短跑、更快的球速和更多的传球7、8的距离而演变。
运动员不断刻苦训练,以保持和提高身体承受比赛身体要求的能力。正确应用训练刺激与足够的恢复相结合,诱导反应,导致人体适应,提高体能和性能9。相反,训练刺激和恢复之间的不平衡可能导致长期疲劳和不良的训练反应(不适应),这增加了职业和业余团队运动运动员10,11,12,13受伤的风险。
伴随高训练和比赛刺激的主要风险之一是肌肉拉伤。肌肉拉伤占团队运动中所有时间损失伤害的三分之一以上,导致超过四分之一的伤病缺席,其中腿筋是最常见的涉及14,15,16,17。此外,每年遭受腿筋拉伤的运动员人数每年增加18、19人,尽管已经引进了多个项目来预防腿筋拉伤12、13、20、21。因此,从运动22和财务23的角度来看,这具有负面影响,因此,对个别运动员的充分监测对于优化训练计划、尽量减少受伤风险和优化成绩至关重要。
目前运动员在团队运动中的监测实践主要基于由本地或全球定位系统24、25测量的位置数据。这些系统以 GPS 为基础的指标(如覆盖的距离、平均运行速度或基于加速度的指标,如 PlayerLoad26 、27、28)来监控活动。这些措施的缺点是,它们不包括下肢运动学。光电测量系统作为黄金标准,在直线冲刺29、30、31、32期间对下肢进行运动分析。这些系统的缺点是缺乏生态有效性,因为其测量区域有限,需要专家来操作该系统和耗时的数据分析。因此,这种方法不适合日常运动练习。
传感器技术的飞速发展可以克服目前监测运动员的方法的局限性。惯性测量单元 (IMU) 最近的可靠性、小型化和数据存储可能性使传感器技术能够在现场应用。IMUs包含一个加速度计、陀螺仪和磁力计,分别在33、34个正交轴中测量加速度、角度速度和磁场。通过将传感器安全地固定在车身段、传感器融合算法和生物力学模型中,可以估计联合运动学33。联合运动学的注册,结合不同身体部位加速的信息,可以改善运动员对团队运动的监测。
通过将 IMU 传感器设置与标准化现场测试耦合在一起,可以说明在野外线性冲刺期间,下肢运动学是如何注册的,这可能是识别伤害风险因素的有用措施。传感器设置可以为当前监控措施提供额外信息,专业人员可以使用这些信息来优化培训计划,以提高性能并最大限度地降低伤害风险。因此,本文的主要目的是演示一个惯性传感器设置,用于估算田径运动中团队运动运动员的臀部和膝盖关节运动学。
目前监测运动员在团队运动中的方法没有记录下肢运动学,这可能是识别受伤危险因素的有用措施。在冲刺过程中分析下肢运动学的黄金标准是光电子测量系统29、30、31、32。虽然光电子测量系统是金本位制,但由于测量面积有限,这些系统缺乏生态有效性。本文中提出的传感器设置克服了当前测量系统的局限性,而且相对便宜。通过传感器设置测量,在现场注册下肢运动学的可能性可能会改善运动员的监测实践。
先前的研究,检查冲刺运动学29,31,37,38,39报告臀部角度从210°延伸到90°弯曲。此外,这些研究还报告了膝盖角度从160°最小的弯曲和40°的最大弯曲。本研究中观察到的值在先前报告的范围之内。一项研究38报告臀部角速范围从 -590 °s-s -1到 700 °s-1和膝盖角速度范围从 -1,000 °s-s -1到 1,100 °s-1.虽然在这项研究中观察到的值较高,但随着时间的推移,它们也呈现出类似的趋势。该方法已得到验证,可用于运动员在现场监测40。
目前的研究有一些需要解决的局限性。首先,除了已使用的IMUs的特性外,用户必须知道,来自IMUS的信号受到几个错误源的影响,这些误差源限制了41个应用程序的可能范围。首先,骨骼周围软组织的振荡(即软组织人工制品42)会影响运动学的注册。因此,必须根据协议中描述的步骤,将IMUs仔细地附着在主体的身上。虽然采取了必要的步骤,但应当指出,目前的研究没有包括防止传感器错误移动的额外弹性表带。这可能改善结果,并可能被视为这项研究的局限性。其次,来自其他设备(主要是建筑物内部)的铁磁干扰改变了 IMU 磁力计测量磁场矢量的大小或方向,从而导致估计方向43的错误。因此,应尽可能避免铁凝干扰的来源。此外,必须指出,传感器设置不适用于滑动滑轮,因为传感器会因接触地面而脱离皮肤。因此,应指示参与者不要在小侧游戏期间执行滑动滑动。解决这个问题的一个可能的解决方案可能是将传感器设置集成到智能服装 (即智能传感器紧身衣)中。
传感器设置获得运动变量可用于分段模型,以监控现场的运动员。先前的研究发现,在足球比赛模拟44后,每半场的臀部弯曲和膝盖伸展角度(即理论腿筋长度)减少最大。在同一研究中,在每半结束期间观察到柄角速度的增加。较低的腿筋长度加上刀柄速度的加快可能表明疲劳后腿筋过度拉伤的风险增加。使用惯性测量单元 (IMU) 驱动的细分模型,可以在字段设置中检测到冲刺运动学中的这种变化。除了关节运动学的变化,对身体整体起作用的力量也可以估计。地面反应力 (GRF) 描述了整个肌肉骨骼系统经历的生物力学负荷,并且可以使用牛顿的第二运动定律(即 F = m = a) 进行估计。目前研究在运行中使用GRF估计优化冲刺性能45,46或评估潜在的伤害风险47,48,49,50。这些研究表明,装载率、垂直冲击力峰值和水平断裂力与肌肉骨骼过度使用损伤有关。虽然在高度动态的团队运动特定动作51、52中准确估计 GRF 是一项挑战,但在现场测量期间监控这些变量的可能性可能会提供新的信息来优化性能或防止受伤。
本文介绍的结果仅限于在线性冲刺期间监测下肢运动学,重点是腿筋拉伤机制。然而,应该指出的是,臀部和腹股沟受伤也经常发生在团队运动14,17,53,54,55。这些伤害可能是由踢和改变方向的重复参与造成的。因此,未来的研究不仅应限制他们在与腿筋拉伤机制的关系中冲刺的重点,而且应侧重于扩大有关改变方向任务的知识56和踢57,58,59与臀部和腹股沟受伤的关系。
总之,此传感器设置可以集成到智能服装中。智能服装可以在团队运动特定任务期间在运动场注册下肢运动学,从而改善未来对运动员的监测。这可以帮助日常运动环境中的专业人士评估他们的训练计划并优化他们,以降低受伤风险。
The authors have nothing to disclose.
值得庆幸的是,作者感谢荷兰国家研究机构(NWO)提供的资金来源。此外,作者还感谢荷兰皇家足球协会(KNVB)通过提供研究设施来促进研究方案。最后,作者们要感谢蒂伊斯·威格斯对研究计划的贡献。
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 |