ورقة بيضاء: ناقل التحقق من الصحة T7

ماثيو سي فارلي، سوزان إلينز، ديفيد كاري. مجموعة بحوث الرياضة والأداء والتغذية، كلية الصحة المساندة والخدمات البشرية والرياضة، جامعة لا تروب، ملبورن، مركز فيينا الدولي، أستراليا.

1. مقدمة
2. الأساليب
3. التحليل الإحصائي
4. النتائج
5. الملخص
6. المراجع

1. مقدمــة

أصبحت أنظمة تتبع الرياضيين أداة أساسية للرياضة. وتسمح هذه الأنظمة للممارسين بقياس حركة الرياضيين وتحليلها لفهم العبء التدريبي والأداء البدني والسلوك التكتيكي ومخاطر الإصابة بشكل أفضل^.1

على الرغم من توفر العديد من أنظمة التتبع، إلا أن معظمها له قيود عند استخدامه في الأماكن المغلقة. نظام ClearSky لتحديد المواقع المحلي(LPS) هو تقنية توفر تتبع وقياس أداء الرياضيين في البيئات الداخلية. وعلى وجه التحديد، يقوم النظام بإخراج مقاييس مستمدة من الموقع والمقاييس المشتقة من الموقع مثل المسافة والسرعة والتسارع.

جهاز Vector T7 هو جهاز جديد قابل للارتداء يُستخدم مع نظام ClearSky. يتشابه Vector T7 مع الأجهزة السابقة المستخدمة مع ClearSky (Vector S7 و Catapult T6)، مع تردد أخذ عينات يبلغ 10 هرتز.

ومع ذلك، يستخدم Vector T7 بروتوكول فرق زمن الوصول (TDOA) لاشتقاق الموقع، بينما تستخدم الأجهزة السابقة بروتوكول تحديد المدى الثنائي (TWR). تكمن فائدة بروتوكول TDOA في أنه يتطلب استهلاك طاقة أقل بكثير للجهاز مقارنةً ببروتوكول TWR مع الحفاظ على دقة البيانات الموضعية.

يتيح هذا التخفيض في الطاقة تقليل حجم الجهاز. يسمح الحجم الأصغر للجهاز بارتداء جهاز Vector T7 في عدة مواضع على الرياضي، بما في ذلك وضعه التقليدي بين لوحي الكتف أو وضعه على الخصر.

تحتاج أنظمة تتبع الرياضيين إلى التحقق من قدرتها على قياس حركة الرياضيين لكي يثق الممارسون في البيانات التي تسمح لهم باتخاذ قرارات بشأن التدريب وممارسات المباريات. كما هو الحال مع جميع التقنيات، ستصدر الشركات المصنعة نماذج محدثة مع مرور الوقت، حيث يتم إجراء تحسينات على كل من أجهزة الجهاز والخوارزميات الأساسية.

ويتطلب كل نموذج جديد التحقق من صحة كل نموذج جديد لتحديد قدرة الجهاز الجديد على قياس ما هو مخصص لقياسه (على سبيل المثال، الموضع والسرعة والتسارع)^.1 ويتم ذلك عادةً من خلال مقارنة البيانات من الجهاز بمقياس معياري. نظام Vicon هو نظام كاميرا لالتقاط الحركة يعتبر المعيار الذهبي لقياس الموضع. ومن الشائع استخدام نظام Vicon كمقياس معياري في التحقق من صحة تقنية تتبع الرياضيين^{.2، 3.}

قيمت الدراسات مدى صلاحية أجهزة Catapult T6 لقياس المسافة والسرعة والتسارع أثناء أداء مهام محددة في الرياضات الجماعية، بما في ذلك الجهود القصوى الخطية وحركات تغيير الاتجاه^.4،5،6

استخدمت هذه الدراسات نظام كاميرا التقاط الحركة (إما Vicon أو Qualisys Oqus) كمقياس معياري حيث خلصت جميع الدراسات إلى أن أجهزة Catapult T6 تتمتع بصلاحية مقبولة لتقييم حركة الرياضيين. ونظراً لأن جهاز Vector T7 لم يتم تطويره إلا مؤخراً، فإن التحقق من صحة هذا الجهاز مطلوب.

لذلك، كان الهدف من هذه الدراسة هو تقييم صلاحية أجهزة Vector T7 الجديدة لقياس المسافة والسرعة والتسارع.

→ قم بتنزيل هذا المستند التعريفي التمهيدي Vector T7 بالنقر هنا.

2. الأساليب

شارك في هذه الدراسة ستة مشاركين من الذكور النشطين ترفيهيًا (28.8 ± 5.6 سنة). وقد قدم جميع المشاركين موافقة خطية على مشاركتهم في الدراسة، وجرت الإجراءات المستخدمة بموافقة لجنة أخلاقيات البحوث البشرية في جامعة لا تروب.

تم إجراء جمع البيانات في قاعة رياضية مساحتها 40 × 70 م، تتكون من ثلاثة ملاعب لكرة السلة. أجرى المشاركون سبع تجارب حركية مختلفة في مساحة 20 × 5 أمتار في أحد ملاعب كرة السلة. أثناء التجارب تم جمع بيانات حركة اللاعبين من خلال جهاز LPS (Catapult ClearSky، Catapult، ملبورن، أستراليا) ونظام تحليل الحركة المكون من 20 كاميرا (Vantage، Vicon Motion Systems، أكسفورد، المملكة المتحدة).

يظهر وصف وتخطيط لكل تجربة في الجدول 1 والشكل 1. طُلب من المشاركين أداء جميع التجارب بأقصى كثافة والتوقف التام في نهاية التجربة (التباطؤ). أجرى المشاركون عملية إحماء لمدة 5 دقائق قبل بدء التجربة. أُجريت كل تجربة حركة مرتين بما مجموعه 14 تجربة مع الفصل بين كل تجربة وأخرى بنحو 3 دقائق. 

جُهز المشاركون بأربعة أجهزة Vector T7 تم وضعها في أربعة مواقع مختلفة. تم وضع جهاز واحد بين لوحي كتف المشارك باستخدام السترة التي توفرها الشركة المصنعة.

وُضعت الأجهزة الثلاثة المتبقية حول خصر المشاركين، وتحديداً في الجانب الأمامي (مقطع عرضي لنقطة المنتصف بين العمودين الحرقفيين الأماميين العلويين الأماميين)، والجانب الأيسر (مقطع عرضي لنقطة المنتصف بين العمودين الحرقفيين الأماميين والخلفيين العلويين الأماميين) والظهر (مقطع عرضي لنقطة المنتصف بين العمودين الحرقفيين الخلفيين العلويين الخلفيين) في مشبك خصر مخصص مقدم من الشركة المصنعة يتم تثبيته على سروال المشاركين.

وبصورة منفصلة عن تجارب الحركة، تم إجراء تجربة ثابتة لتقييم أجهزة Vector T7 لتقييم ثبات موضعها باستخدام بروتوكول وضع ثابت. تم وضع ثلاثة أجهزة كل منها على حامل ثلاثي القوائم (ارتفاع 1.5 متر) وتركت لجمع البيانات لمدة 10 دقائق. وُضع اثنان من الأجهزة على منتصف الملعب الأوسط ووُضع جهاز واحد على الحافة العريضة للملعب.

تم تركيب نظام ClearSky LPS حول الصالة الرياضية ويتكون من 21 عقدة تثبيت مثبتة على ارتفاع 8.4 متر في المتوسط من الأرض بمتوسط مسافة 10.4 متر بين كل عقدة وأخرى. تم التقاط البيانات بسرعة 10 هرتز ومعالجتها باستخدام برنامج الشركة المصنعةOpenField الإصدار 3.9.0). تم تصدير بيانات السرعة والتسارع والموضع x-y وبيانات عداد المسافات (المسافة التراكمية) لكل تجربة لإجراء مزيد من التحليل.

استُخدِم نظام تحليل الحركة المكون من 20 كاميرا (Vicon) لأخذ العينات بسرعة 100 هرتز، واستخدمت كمقياس معياري للمسافة والسرعة والتسارع. تم تركيب الكاميرات على حوامل ثلاثية القوائم ووضعت على بُعد 3 أمتار من محيط المنطقة التي أجريت فيها تجارب الحركة. وُضعت أربع علامات عاكسة عاكسة بقطر 32 مم على الجزء الخارجي من السترة التي زودت بها الشركة المصنعة وكل مشبك حزام الخصر الذي يحتوي على أجهزة Vector T7، بالتوافق مع منتصف كل جهاز.  

تم تصنيف بيانات Vicon ومعالجتها باستخدام Vicon Nexus 2.14. تألفت معالجة البيانات لبيانات Vicon الخام من التصفية باستخدام مرشح بتروورث منخفض التمرير من الدرجة الرابعة مع تردد قطع 3 هرتز تم تحديده بناءً على تحليل البقايا. تم ملء الثغرات في البيانات ≤50 مللي ثانية (5 عينات) باستخدام الاستيفاء الشقّي، وتم استبعاد الثغرات ≥50 مللي ثانية من التحليل. استُخدمت الإحداثيات XY لبيانات Vicon المصفاة 100 هرتز للتحليل، وتم إهمال الإحداثيات z (الإزاحة الرأسية) في الحسابات حيث تم تكوين ClearSky لتحديد المواقع ثنائية الأبعاد (ثنائية الأبعاد).

تم حساب السرعة ثنائية الأبعاد لكل من علامات Vicon الأربعة في كل تجربة حركة (ن=320) عن طريق اختلاف البيانات الموضعية وتطبيق نفس المرشح المستخدم في برنامج الشركة المصنعة على بيانات LPS. تم توفير هذه المعلومات للباحثين من قبل الشركة المصنعة؛ ومع ذلك، لم يتم تضمين التفاصيل هنا بسبب الملكية الفكرية للشركة المصنعة. وبالمثل، تم حساب التسارع عن طريق فرق بيانات السرعة والتصفية باستخدام مواصفات الشركة المصنعة.

تم أخذ عينات من مقاييس Vicon المشتقة من Vicon إلى 10 هرتز ثم تمت مزامنتها مع بيانات Catapult من خلال الربط المتبادل بين إشارات السرعة لإيجاد الإزاحة الزمنية التي تزيد من الارتباط. تم إجراء جميع عمليات معالجة البيانات وتحليلها باستخدام لغة البرمجة الإحصائية R (الإصدار 4.0.4^{)7 وحزمة} gsignal8.

الجدول 1. وصف تجارب الحركة

الشكل 1. أ) رسم تخطيطي لتجارب الحركة السبع المختلفة. ب) الإعداد أثناء جمع البيانات، بدأت جميع التجارب من النقطة المرجعية للبداية (دائرة بيضاء)، وكاميرات Vicon (شبه منحرف أسود)، وعُقد تثبيت ClearSky (مثلثات بيضاء). ملاحظة: لا تظهر القاعة الرياضية بأكملها (40 × 70 م غير معروضة بالكامل من أجل الوضوح).

→ قم بتنزيل هذا المستند التعريفي التمهيدي Vector T7 بالنقر هنا.

3. التحليل الإحصائي

تجارب الحركة

تم حساب المقاييس التالية لكل تجربة لمقارنة بيانات Vector T7 والبيانات المشتقة من Vicon؛ جذر متوسط الفرق المعياري (RMSD) للسرعة والتسارع ومتوسط الفرق المطلق (MAD) للمسافة الموضعية من عينة إلى عينة. تم استبعاد تجارب Vicon التي كان بها أكثر من 10% من البيانات المفقودة من التحليلات (ن = 12) بسبب إدخال تأثيرات الحواف من خلال نهج التصفية حيث توجد فجوات في البيانات. يتم عرض النتائج كمتوسط، ومتوسط، ونطاقات بين ربعية (IQR) لكل مقياس، عبر جميع التجارب، ومقسمة حسب موقع الجهاز ونوع الحركة.

التجارب الثابتة

بالنسبة لتجارب الأجهزة الثابتة تم حساب المسافة الموضعية والإزاحة من عينة إلى عينة. تم عرض النتائج على شكل المتوسط والوسيط ومعدل الذكاء المتوسط والمجموع التراكمي للمسافة والإزاحة من العينة الأولى إلى العينة الأخيرة في تجربة مدتها 10 دقائق. تم تضمين مقياس الشركة المصنعة "عداد المسافات" في النتائج لكل جهاز كنقطة مرجعية للمسافة المحسوبة المقطوعة.

4. النتائج

تجارب الحركة

يوضح الجدول 2 والشكل 2 الاختلافات بين ClearSky LPS والسرعة المشتقة من Vicon. من بين مواضع الجهاز الأربعة التي تم اختبارها، كان للجهاز الذي تم ارتداؤه في السترة أصغر متوسط ومتوسط RMSD، وكان الجهاز الذي تم ارتداؤه في مقدمة الخصر هو الأعلى.

تكررت هذه الملاحظة بالنسبة إلى RMSD في التسارع(الجدول 3 والشكل 2). كانت تجارب الحركة الخطية هي الأقرب إلى الاتفاق بين الطرق بالنسبة للسرعة. أسفرت تجربة حركة تغيير الاتجاه ¹⁸⁰⁰ عن أعلى قيم RMSD للتسارع.

الجدول 2. سرعة RMSD (^م-ث-1) بين أجهزة المنجنيق ونظام تحليل الحركة Vicon.

الجدول 3. تسارع RMSD (^م-ث-2) بين أجهزة المنجنيق ونظام تحليل الحركة Vicon.

الشكل 2. نتائج سرعة RMSD (الصف الأول) والتسارع (الصف الثاني) لكل تجربة، مصنفة حسب موقع الجهاز (العمود الأول) ونوع الحركة (العمود الثاني).

يوضح الجدول 4 الفرق المتوسط في المسافة من عينة إلى عينة المستمدة من بيانات التتبع الموضعي لـ Vector T7 و Vicon. في جميع التجارب، كان متوسط الفرق 0.39 متر، وكانت الفروق أكبر في الجهاز الذي تم ارتداؤه في مقدمة الخصر، وأثناء تجربة حركة الدائرة.

الجدول 4. MAD في المسافة من عينة إلى عينة (م) بين أجهزة المنجنيق ونظام تحليل الحركة Vicon.

التجارب الثابتة

كان متوسط المسافة من عينة إلى عينة ومتوسط معدل الوسطي لجميع الأجهزة الثابتة صفرًا(الجدول 5)، مما يشير إلى أنه في معظم الخطوات الزمنية لم تغير الأجهزة إحداثياتها السينية أو الصفرية.

ومع ذلك، سجلت الأجهزة بعض التغييرات في الموضع بحيث كان متوسط المسافة بين العينات حوالي 1-2 مم. وعلى مدار 10 دقائق لم يكن هناك انحياز اتجاهي قوي، وكان الموقع النهائي للأجهزة قريبًا جدًا من مواقعها الأولية (الإزاحة النهائية في حدود بضعة سنتيمترات).

تمكنت معالجة البيانات الخاصة والتصفية المضمنة في حساب الشركة المصنعة للمسافة التراكمية (متغير "عداد المسافات") من تصحيح التغييرات الصغيرة في الموضع وإرجاع مسافات إجمالية أقل من 0.02 م.

الجدول 5. نتائج التجارب الثابتة (ترك ثلاثة أجهزة ثابتة لمدة 10 دقائق).

→ قم بتنزيل هذا المستند التعريفي التمهيدي Vector T7 بالنقر هنا.

5. ملخص

• تتميز أجهزة Vector T7 بانخفاض معدل RMSD لقياسات السرعة والتسارع وانخفاض معدل MAD لقياسات المسافة أثناء تجارب الحركة التي تتضمن معدلات عالية من التسارع والتباطؤ وتغيير الاتجاه.
• أظهرت أجهزة Vector T7 انخفاضًا مماثلًا في معدل RMSD لقياسات التسارع في جميع تجارب الحركة باستثناء تجربة تغيير الاتجاه 180 درجة حيث كان معدل RMSD أعلى قليلاً. ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الحركات في هذه التجربة تضمنت معدلات أعلى من التسارع/التباطؤ وتشير إلى أن الخطأ يزداد مع زيادة معدل التغير في السرعة. ومع ذلك، لا يزال من الممكن اعتبار هذا الخطأ منخفضًا (متوسط RMSD يبلغ 1.24). 
• أدى وضع السترة إلى أقل خطأ في مقاييس السرعة والتسارع والمسافة بينما أدى وضع الجهاز في مقدمة الخصر إلى أعلى نسبة خطأ. وبغض النظر عن موضع الجهاز، فقد نتج عن جميع المواقع خطأ منخفض في جميع المقاييس مع جميع RMSD ≤ 0.85. 
• كان الثبات الموضعي لأجهزة Vector T7 عند الثبات مرتفعًا بمتوسط مسافة بين العينات يبلغ حوالي 1-2 مم.
• يشير الخطأ المنخفض إلى أن جهاز Vector T7 المستخدم مع ClearSky يوفر مقياسًا صحيحًا للسرعة والتسارع والمسافة أثناء المهام الخاصة برياضة الفريق المحددة، بما في ذلك الجهود القصوى الخطية وحركات تغيير الاتجاه.

→ قم بتنزيل هذا المستند التعريفي التمهيدي Vector T7 بالنقر هنا.

6. المراجع

1. Malone, J. J., Lovell, R., Varley, M. C., & C. C., & Coutts, A. J. (2017). تفريغ الصندوق الأسود: تطبيقات واعتبارات استخدام أجهزة النظام العالمي لتحديد المواقع في الرياضة. المجلة الدولية لعلم وظائف الأعضاء والأداء الرياضي، 12 (ق 2)، S2-18.
2. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2018). التحقق من صحة الأداء الإلكتروني وأنظمة التتبع EPTS في ظل الظروف الميدانية. PloS one, 13(7), e0199519.
3. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2020). الصلاحية الخاصة بكرة القدم لأنظمة التتبع البصري للفيديو الخاصة بـ TRACAB. PloS one, 15(3), e0230179.
4. Luteberget, L. S., Spencer, M., & Gilgien, M. (2018). مدى صلاحية نظام تحديد المواقع المحلي Catapult ClearSky T6 لتدريبات خاصة بالرياضات الجماعية، في الظروف الداخلية. Frontiers in Physiology, 9, 115.
5. Serpiello, F. R., Hopkins, W. G., Barnes, S., Tavrou, J., Duthie, G. M., Aughey, R. J., & Ball, K. (2018). صلاحية نظام تحديد المواقع المحلي فائق الاتساع لقياس الحركة في الرياضات الداخلية. مجلة علوم الرياضة، 36(15)، 1727-1733.
6. Hodder, R. W., Ball, K. A., & Serpiello, F. R. (2020). الصلاحية المعيارية لنظام تحديد المواقع المحلي Catapult ClearSky T6 لقياس المسافة بين الوحدات. Sensors, 20(13), 3693.
7. فريق R الأساسي (2021). R: لغة وبيئة للحوسبة الإحصائية. مؤسسة R للحوسبة الإحصائية، فيينا، النمسا. URL https://www.R-project.org/
8. Van Boxtel, G.J.M., Laboissière, R., & Wilhelm, H.D. (2021). gsignal: معالجة الإشارات. URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

→ قم بتنزيل هذا المستند التعريفي التمهيدي Vector T7 بالنقر هنا.