Bílá kniha: Validační vektor T7

Matthew C. Varley, Susanne Ellens, David Carey. Sport, Performance, and Nutrition Research Group, School of Allied Health, Human Services, & Sport, La Trobe University, Melbourne, VIC, Austrálie.

1. Úvod
2. Metody
3. Statistická analýza
4. Výsledky
5. Souhrn
6. Odkazy

1. ÚVOD

Systémy sledování sportovců se staly základním nástrojem pro sport. Tyto systémy umožňují odborníkům kvantifikovat a analyzovat pohyb sportovců, aby lépe porozuměli tréninkové zátěži, fyzické výkonnosti, taktickému chování a riziku zranění^.1

Přestože je k dispozici mnoho sledovacích systémů, většina z nich má při použití v interiéru svá omezení. Místní polohový systém ClearSky(LPS) je technologie, která umožňuje sledování a měření výkonu sportovců ve vnitřním prostředí. Konkrétně systém poskytuje výstupy o poloze a metrikách odvozených od polohy, jako je vzdálenost, rychlost a zrychlení.

Vector T7 je nové nositelné zařízení, které se používá se systémem ClearSky. Zařízení Vector T7 je podobné předchozím zařízením používaným se systémem ClearSky (Vector S7 a Catapult T6), se vzorkovací frekvencí 10 Hz.

Zařízení Vector T7 však používá k určení polohy protokol TDOA (Time Difference of Arrival), zatímco předchozí zařízení používají protokol TWR (Two Way Ranging). Výhodou protokolu TDOA je, že ve srovnání s protokolem TWR vyžaduje podstatně nižší spotřebu energie zařízení při zachování přesnosti údajů o poloze.

Toto snížení výkonu umožňuje zmenšit velikost zařízení. Menší velikost zařízení umožňuje nosit přístroj Vector T7 na několika místech na těle sportovce, včetně tradičního umístění mezi lopatky nebo umístění v pase.

Systémy pro sledování sportovců vyžadují ověření jejich schopnosti měřit pohyb sportovců, aby měli odborníci důvěru v údaje, které jim umožní rozhodovat o tréninkových a zápasových postupech. Stejně jako u všech technologií budou výrobci časem vydávat aktualizované modely, protože dojde ke zlepšení hardwaru zařízení i jejich základních algoritmů.

Každý nový model vyžaduje validaci, aby se určila schopnost nového zařízení měřit to, co má měřit (např. polohu, rychlost a zrychlení)^.1 To se obvykle provádí porovnáním údajů ze zařízení s kriteriálním měřítkem. Systém Vicon je kamerový systém pro snímání pohybu, který je považován za zlatý standard pro měření polohy. Běžně se systém Vicon používá jako kriteriální míra při validaci technologie sledování sportovců^{.2, 3}

Studie hodnotily validitu zařízení Catapult T6 pro měření vzdálenosti, rychlosti a zrychlení během specifických úkolů v týmovém sportu, včetně lineárního maximálního úsilí a pohybů při změně směru^.4,5,6

Tyto studie používaly jako měřítko kamerový systém pro snímání pohybu (buď Vicon, nebo Qualisys Oqus) a všechny studie dospěly k závěru, že zařízení Catapult T6 mají přijatelnou validitu pro hodnocení pohybu sportovce. Vzhledem k tomu, že přístroj Vector T7 byl vyvinut teprve nedávno, je zapotřebí validace tohoto zařízení.

Cílem této studie proto bylo posoudit platnost nových zařízení Vector T7 pro měření vzdálenosti, rychlosti a zrychlení.

→ Stáhněte si tuto bílou knihu Vector T7 kliknutím sem.

2. METODY

Studie se zúčastnilo šest rekreačně aktivních mužů (28,8 ± 5,6 let). Všichni účastníci poskytli písemný souhlas s účastí ve studii a použité postupy byly provedeny se souhlasem etické komise pro lidský výzkum na La Trobe University.

Sběr dat probíhal ve sportovní hale o rozměrech 40 x 70 m, která se skládala ze tří basketbalových hřišť. Účastníci prováděli sedm různých pohybových pokusů na ploše 20 x 5 m na jednom z basketbalových hřišť. Během pokusů byly údaje o pohybu hráčů shromažďovány pomocí LPS (Catapult ClearSky, Catapult, Melbourne, Austrálie) a systému analýzy pohybu s 20 kamerami (Vantage, Vicon Motion Systems, Oxford, Velká Británie).

Popis a schéma jednotlivých pokusů jsou uvedeny v tabulce 1 a na obrázku 1. Účastníci byli požádáni, aby všechny pokusy prováděli maximální intenzitou a na konci pokusu se úplně zastavili (zpomalení). Před zahájením pokusu provedli účastníci 5minutové zahřátí. Každý pohybový pokus byl proveden dvakrát, celkem 14 pokusů, přičemž jednotlivé pokusy od sebe dělily ~3 min. 

Účastníci byli vybaveni čtyřmi zařízeními Vector T7 umístěnými na čtyřech různých místech. Jedno zařízení bylo umístěno mezi lopatky účastníka pomocí vesty dodávané výrobcem.

Zbývající tři zařízení byla umístěna kolem pasu účastníků, konkrétně vpředu (průřez středem mezi dvěma předními horními kyčelními trny), na levém boku (průřez středem mezi předním a zadním horním kyčelním trnem) a vzadu (průřez středem mezi dvěma zadními horními kyčelními trny) ve speciální sponě na opasek dodané výrobcem, která se připínala na šortky účastníků.

Vedle pohybových zkoušek byla provedena statická zkouška, při které byla posouzena stabilita umístění zařízení Vector T7 pomocí protokolu pevného umístění. Každé ze tří zařízení bylo umístěno na stativ (ve výšce 1,5 m) a ponecháno po dobu 10 minut ke sběru dat. Dvě zařízení byla umístěna na střed středního kurtu a jedno na širší okraj kurtu.

Systém ClearSky LPS byl instalován kolem sportovní haly a skládal se z 21 kotevních uzlů upevněných v průměrné výšce 8,4 m od země s průměrnou vzdáleností 10,4 m mezi jednotlivými uzly. Data byla snímána s frekvencí 10 Hz a zpracovávána pomocí softwaru výrobceOpenField verze 3.9.0). Pro každý pokus byly exportovány údaje o rychlosti, zrychlení, poloze x-y a odometru (kumulativní vzdálenost) pro další analýzu.

Jako kritérium měření vzdálenosti, rychlosti a zrychlení byl použit systém analýzy pohybu s 20 kamerami (Vicon) se vzorkováním 100 Hz. Kamery byly namontovány na stativech a umístěny 3 m od obvodu plochy, kde se prováděly pohybové pokusy. Na vnější straně vesty dodávané výrobcem a na každé sponě opasku obsahující zařízení Vector T7 byly umístěny čtyři retroreflexní značky o průměru 32 mm, které odpovídaly středu každého zařízení.  

Data Vicon byla označena a zpracována pomocí programu Vicon Nexus 2.14. Zpracování surových dat Vicon spočívalo ve filtraci pomocí nízkoprůchodového Butterworthova filtru čtvrtého řádu s mezní frekvencí 3 Hz, která byla určena na základě analýzy reziduí. Mezery v datech ≤50 ms (5 vzorků) byly vyplněny pomocí spline interpolace, mezery ≥50 ms byly z analýzy vyloučeny. Pro analýzu byly použity souřadnice XY filtrovaných 100 Hz dat Vicon, souřadnice z (vertikální posun) byly ve výpočtech zanedbány, protože ClearSky byl nakonfigurován pro dvourozměrné (2D) polohování.

Pro každý ze čtyř markerů Vicon v každém pohybovém pokusu (n=320) byla 2D rychlost vypočtena diferencováním polohových dat a použitím stejného filtru, který byl použit v softwaru výrobce na data LPS. Tyto informace byly výzkumníkům poskytnuty výrobcem; podrobnosti zde však nejsou uvedeny z důvodu duševního vlastnictví výrobce. Podobně bylo zrychlení vypočteno diferencováním údajů o rychlosti a filtrováním podle specifikací výrobce.

Metriky odvozené ze systému Vicon byly vzorkovány na 10 Hz a poté synchronizovány s daty z katapultu pomocí křížové korelace rychlostních signálů s cílem najít časový posun, který maximalizuje korelaci. Veškeré zpracování a analýza dat byly provedeny pomocí statistického programovacího jazyka R (verze 4.0.4⁾⁷ a ^balíčku gsignal8.

Tabulka 1. Popis pohybových zkoušek

Obrázek 1. A) Schéma sedmi různých pohybových pokusů. B) Nastavení během sběru dat, všechny pokusy začínaly od počátečního referenčního bodu (bílý kruh), kamery Vicon (černý lichoběžník), kotevní uzly ClearSky (bílé trojúhelníky). Poznámka: Celá sportovní hala (40 x 70 m není kvůli přehlednosti zobrazena celá).

→ Stáhněte si tuto bílou knihu Vector T7 kliknutím sem.

3. STATISTICKÁ ANALÝZA

Zkoušky pohybu

Pro každou zkoušku byly vypočteny následující metriky porovnávající data odvozená z Vector T7 a Vicon: střední kvadratický rozdíl (RMSD) pro rychlost a zrychlení a střední absolutní rozdíl (MAD) pro polohovou vzdálenost mezi vzorky. Zkoušky Vicon, u nichž chybělo více než 10 % údajů, byly z analýz vyloučeny (n = 12) z důvodu zavedení okrajových efektů filtračním přístupem, kdy v údajích existovaly mezery. Výsledky jsou prezentovány jako průměr, medián a mezikvartilové rozmezí (IQR) pro každou metriku, a to pro všechny studie a stratifikované podle umístění zařízení a typu pohybu.

Statické zkoušky

U statických zkoušek zařízení byla vypočtena polohová vzdálenost a posunutí mezi vzorky. Výsledky jsou prezentovány jako průměr, medián, IQR a kumulativní součet pro vzdálenost a posun od prvního do posledního vzorku v desetiminutovém pokusu. Metrika výrobce "odometr" byla zahrnuta do výsledků pro každé zařízení jako referenční bod pro vypočtenou ujetou vzdálenost.

4. VÝSLEDKY

Zkoušky pohybu

Rozdíly mezi rychlostmi získanými pomocí ClearSky LPS a Vicon jsou uvedeny v tabulce 2 a na obrázku 2. Ze čtyř testovaných poloh zařízení mělo zařízení nošené ve vestě nejmenší průměrnou a mediánovou RMSD a zařízení nošené vpředu u pasu nejvyšší.

Toto pozorování se opakovalo u RMSD ve zrychlení(tabulka 3 a obrázek 2). U pokusů s lineárním pohybem byla nejtěsnější shoda mezi metodami pro rychlost. Pokus se změnou směru pohybu¹⁸⁰⁰ vedl k nejvyšším hodnotám RMSD pro zrychlení.

Tabulka 2. RMSD rychlosti (^m-s-1) mezi zařízeními Catapult a systémem analýzy pohybu Vicon.

Tabulka 3. RMSD zrychlení (^m-s-2) mezi zařízeními Catapult a systémem analýzy pohybu Vicon.

Obrázek 2. Výsledky RMSD rychlosti (první řádek) a zrychlení (druhý řádek) pro každý pokus, stratifikované podle umístění zařízení (první sloupce) a typu pohybu (druhý sloupec).

Tabulka 4 ukazuje MAD ve vzdálenosti mezi vzorky odvozené z údajů o sledování polohy Vector T7 a Vicon. Ve všech pokusech byl průměrný rozdíl 0,39 m, rozdíly byly větší u zařízení nošeného v přední části pasu a při pokusu s pohybem po obvodu.

Tabulka 4. MAD ve vzdálenosti mezi vzorky (m) mezi zařízeními Catapult a systémem analýzy pohybu Vicon.

Statické zkoušky

Medián a IQR vzdálenosti mezi vzorky pro všechna stacionární zařízení byl nulový(tabulka 5), což znamená, že ve většině časových kroků zařízení nezměnila své souřadnice x nebo y.

Přístroje však zaznamenaly určité změny polohy, takže průměrná vzdálenost mezi vzorky byla přibližně 1-2 mm. V průběhu 10 minut nedošlo k žádnému výraznému směrovému vychýlení a konečná poloha zařízení byla velmi blízká jejich počáteční poloze (konečný posun v řádu několika centimetrů).

Vlastní zpracování a filtrování dat, které výrobce zahrnul do výpočtu kumulativní vzdálenosti (proměnná "odometer"), dokázalo korigovat malé změny polohy a vrátilo celkovou vzdálenost menší než 0,02 m.

Tabulka 5. Výsledky statických zkoušek (tři zařízení ponechaná v klidu po dobu 10 minut).

→ Stáhněte si tuto bílou knihu Vector T7 kliknutím sem.

5. SHRNUTÍ

• Přístroje Vector T7 měly nízkou RMSD pro měření rychlosti a zrychlení a nízkou MAD pro měření vzdálenosti během pohybových zkoušek zahrnujících vysoké rychlosti zrychlení, zpomalení a změny směru.
• Zařízení Vector T7 vykazovala podobně nízkou RMSD pro měření zrychlení ve všech pohybových pokusech s výjimkou změny směru o 180 stupňů, kde byla RMSD mírně vyšší. To je pravděpodobně způsobeno tím, že pohyby v této zkoušce zahrnovaly vyšší rychlosti zrychlení/zpomalení, a naznačuje, že chyba se zvyšuje s rychlostí změny rychlosti. Tuto chybu však lze stále považovat za nízkou (průměrná RMSD 1,24). 
• Umístění vesty vedlo k nejnižší chybě při měření rychlosti, zrychlení a vzdálenosti, zatímco umístění zařízení v přední části pasu vedlo k nejvyšší chybě. Bez ohledu na umístění zařízení vedla všechna umístění k nízké chybě ve všech měřeních se všemi RMSD ≤ 0,85. 
• Stabilita polohy zařízení Vector T7 v klidovém stavu byla vysoká, průměrná vzdálenost mezi vzorky byla ~1-2 mm.
• Nízká chyba naznačuje, že přístroj Vector T7 použitý ve spojení se systémem ClearSky poskytuje validní měření rychlosti, zrychlení a vzdálenosti během úkolů specifických pro týmové sporty, včetně lineárních maximálních výkonů a pohybů při změně směru.

→ Stáhněte si tuto bílou knihu Vector T7 kliknutím sem.

6. ODKAZY

1. Malone, J. J., Lovell, R., Varley, M. C., & Coutts, A. J. (2017). Rozbalování černé skříňky: aplikace a úvahy o používání zařízení GPS ve sportu. International journal of sports physiology and performance, 12(s2), S2-18.
2. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2018). Validace elektronických systémů sledování výkonu a sledování EPTS v polních podmínkách. PloS one, 13(7), e0199519.
3. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2020). Specifická platnost optických systémů sledování videa TRACAB pro fotbal. PloS one, 15(3), e0230179.
4. Luteberget, L. S., Spencer, M., & Gilgien, M. (2018). Validita lokálního polohovacího systému Catapult ClearSky T6 pro specifická cvičení v týmových sportech, v halových podmínkách. 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). Validita ultraširokopásmového lokálního polohového systému pro měření lokomoce při halových sportech. Journal of sports sciences, 36(15), 1727-1733.
6. Hodder, R. W., Ball, K. A., & Serpiello, F. R. (2020). Kriteriální platnost lokálního polohového systému Catapult ClearSky T6 pro měření vzdálenosti mezi jednotkami. Sensors, 20(13), 3693.
7. Jádrový tým R (2021). R: Jazyk a prostředí pro statistické výpočty. R Foundation for Statistical Computing, Vídeň, Rakousko. URL https://www.R-project.org/
8. Van Boxtel, G.J.M., Laboissière, R., & Wilhelm, H.D. (2021). gsignal: Zpracování signálů. URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal.

→ Stáhněte si tuto bílou knihu Vector T7 kliknutím sem.