Weißbuch: Validierungsvektor 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, Australien.

1. Einführung
2. Methoden
3. Statistische Analyse
4. Ergebnisse
5. Zusammenfassung
6. Referenzen

1. EINLEITUNG

Athleten-Tracking-Systeme sind zu einem unverzichtbaren Instrument im Sport geworden. Diese Systeme ermöglichen es den Sportlern, die Bewegungen der Athleten zu quantifizieren und zu analysieren, um die Trainingsbelastung, die körperliche Leistung, das taktische Verhalten und das Verletzungsrisiko besser zu verstehen^.1

Es gibt zwar viele Ortungssysteme, doch die meisten haben bei der Verwendung in Innenräumen ihre Grenzen. Das ClearSky Local Positioning System(LPS) ist eine Technologie, die die Verfolgung und Messung der Leistung von Sportlern in Innenräumen ermöglicht. Das System gibt insbesondere die Position und von der Position abgeleitete Metriken wie Entfernung, Geschwindigkeit und Beschleunigung aus.

Der Vector T7 ist ein neues tragbares Gerät, das mit dem ClearSky-System verwendet wird. Der Vector T7 ähnelt den bisherigen Geräten, die mit ClearSky verwendet werden (Vector S7 und Catapult T6), mit einer Abtastfrequenz von 10 Hz.

Der Vector T7 verwendet jedoch ein TDOA-Protokoll (Time Difference of Arrival), um die Position zu ermitteln, während die vorherigen Geräte ein TWR-Protokoll (Two Way Ranging) verwenden. Der Vorteil des TDOA-Protokolls besteht darin, dass es im Vergleich zum TWR-Protokoll einen wesentlich geringeren Stromverbrauch für das Gerät erfordert und gleichzeitig die Genauigkeit der Positionsdaten beibehält.

Durch diese Leistungsreduzierung kann die Größe des Geräts verringert werden. Dank der geringeren Größe des Geräts kann der Vector T7 an verschiedenen Positionen am Sportler getragen werden, einschließlich der traditionellen Platzierung zwischen den Schulterblättern oder an der Taille.

Systeme zur Verfolgung von Athleten benötigen eine Validierung ihrer Fähigkeit, die Bewegungen der Athleten zu messen, damit Praktiker Vertrauen in die Daten haben können, die es ihnen ermöglichen, Entscheidungen über Training und Wettkampfpraxis zu treffen. Wie bei jeder Technologie werden die Hersteller im Laufe der Zeit aktualisierte Modelle herausbringen, da sowohl die Gerätehardware als auch die zugrunde liegenden Algorithmen verbessert werden.

Jedes neue Modell muss validiert werden, um festzustellen, ob das neue Gerät in der Lage ist, das zu messen, was es messen soll (z. B. Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung)^.1 Dies geschieht in der Regel durch den Vergleich der Daten des Geräts mit einem Messkriterium. Das Vicon-System ist ein Motion-Capture-Kamerasystem, das als Goldstandard für die Positionsmessung gilt. Das Vicon-System wird häufig als Kriterium bei der Validierung von Technologien zur Verfolgung von Sportlern verwendet^{.2, 3}

In Studien wurde die Validität der Catapult T6-Geräte für die Messung von Distanz, Geschwindigkeit und Beschleunigung während mannschaftssportartspezifischer Aufgaben, einschließlich linearer Maximalanstrengungen und Richtungsänderungen, bewertet^.4,5,6

In diesen Studien wurde ein Motion-Capture-Kamerasystem (entweder Vicon oder Qualisys Oqus) als Kriterium verwendet, wobei alle Studien zu dem Schluss kamen, dass die Catapult T6-Geräte eine akzeptable Validität für die Bewertung der Bewegungen von Sportlern aufweisen. Da der Vector T7 erst kürzlich entwickelt wurde, ist eine Validierung dieses Geräts erforderlich.

Ziel dieser Studie war es daher, die Validität der neuen Vector T7-Geräte zur Messung von Entfernung, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu bewerten.

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2. METHODEN

Sechs freizeitaktive männliche Teilnehmer (28,8 ± 5,6 Jahre alt) nahmen an dieser Studie teil. Alle Teilnehmer gaben ihr schriftliches Einverständnis zur Teilnahme an der Studie, und die angewandten Verfahren wurden mit Genehmigung der Ethikkommission für Humanforschung der La Trobe University durchgeführt.

Die Datenerhebung fand in einer 40 x 70 m großen Sporthalle statt, die aus drei Basketballfeldern bestand. Die Teilnehmer führten sieben verschiedene Bewegungsversuche in einem 20 x 5 m großen Bereich auf einem der Basketballplätze durch. Während der Versuche wurden die Bewegungsdaten der Spieler mit einem LPS (Catapult ClearSky, Catapult, Melbourne, Australien) und einem Bewegungsanalysesystem mit 20 Kameras (Vantage, Vicon Motion Systems, Oxford, UK) erfasst.

Eine Beschreibung und ein Schema der einzelnen Versuche sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellt. Die Teilnehmer wurden gebeten, alle Versuche mit maximaler Intensität durchzuführen und am Ende des Versuchs vollständig zum Stillstand zu kommen (Verzögerung). Vor Beginn des Versuchs führten die Teilnehmer ein 5-minütiges Aufwärmtraining durch. Jeder Bewegungsversuch wurde zweimal durchgeführt, so dass sich insgesamt 14 Versuche ergaben, wobei zwischen den einzelnen Versuchen ein Abstand von etwa 3 Minuten lag. 

Die Teilnehmer wurden mit vier Vector T7-Geräten ausgestattet, die an vier verschiedenen Stellen angebracht wurden. Ein Gerät wurde mit Hilfe der vom Hersteller mitgelieferten Weste zwischen den Schulterblättern der Teilnehmer positioniert.

Die verbleibenden drei Geräte wurden um die Taille der Teilnehmer gelegt, und zwar an der Vorderseite (Querschnitt des Mittelpunkts zwischen den beiden vorderen oberen Darmbeinstacheln), an der linken Seite (Querschnitt des Mittelpunkts zwischen den vorderen und hinteren oberen Darmbeinstacheln) und an der Rückseite (Querschnitt des Mittelpunkts zwischen den beiden hinteren oberen Darmbeinstacheln) in einer vom Hersteller gelieferten, speziell angefertigten Bundklemme, die an den Shorts der Teilnehmer befestigt wurde.

Unabhängig von den Bewegungsversuchen wurde ein statischer Versuch durchgeführt, um die Stabilität der Vector T7-Geräte anhand eines festen Platzierungsprotokolls zu bewerten. Drei Geräte wurden jeweils auf einem Stativ (1,5 m Höhe) platziert und für 10 Minuten zur Datenerfassung belassen. Von den Geräten wurden zwei in der Mitte des mittleren Spielfeldes und eines am breiten Rand des Spielfeldes platziert.

Das ClearSky LPS wurde um die Sporthalle herum installiert und bestand aus 21 Verankerungsknoten, die in einer durchschnittlichen Höhe von 8,4 m über dem Boden und in einem durchschnittlichen Abstand von 10,4 m zwischen den einzelnen Knoten angebracht waren. Die Daten wurden mit 10 Hz aufgezeichnet und mit der Software des HerstellersOpenField Version 3.9.0) verarbeitet. Die Daten zu Geschwindigkeit, Beschleunigung, x-y-Position und Kilometerzähler (kumulative Entfernung) wurden für jeden Versuch zur weiteren Analyse exportiert.

Das 20-Kamera-Bewegungsanalysesystem (Vicon), das mit 100 Hz abtastet, wurde als Kriterium für die Messung von Entfernung, Geschwindigkeit und Beschleunigung verwendet. Die Kameras waren auf Stativen montiert und 3 m vom Rand des Bereichs, in dem die Bewegungsversuche durchgeführt wurden, entfernt aufgestellt. Vier retroreflektierende Markierungen mit einem Durchmesser von 32 mm wurden an der Außenseite der vom Hersteller gelieferten Weste und an jedem Bundclip, der die Vector T7-Geräte enthielt, angebracht, und zwar in der Mitte jedes Geräts.  

Die Vicon-Daten wurden beschriftet und mit Vicon Nexus 2.14 verarbeitet. Die Datenverarbeitung der Vicon-Rohdaten bestand aus der Filterung mit einem Tiefpass-Butterworth-Filter vierter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 3 Hz, die auf der Grundlage der Residualanalyse bestimmt wurde. Lücken in den Daten ≤50 ms (5 Samples) wurden durch Spline-Interpolation aufgefüllt, Lücken ≥50 ms wurden von der Analyse ausgeschlossen. Die XY-Koordinaten der gefilterten 100-Hz-Vicon-Daten wurden für die Analyse verwendet, die z-Koordinaten (vertikale Verschiebung) wurden bei den Berechnungen vernachlässigt, da ClearSky für eine zweidimensionale (2D) Positionierung konfiguriert war.

Für jeden der vier Vicon-Marker in jedem Bewegungsversuch (n=320) wurde die 2D-Geschwindigkeit durch Differenzierung der Positionsdaten und Anwendung des gleichen Filters, der in der Herstellersoftware verwendet wird, auf die LPS-Daten berechnet. Diese Informationen wurden den Forschern vom Hersteller zur Verfügung gestellt; Einzelheiten werden hier jedoch aufgrund des geistigen Eigentums des Herstellers nicht aufgeführt. In ähnlicher Weise wurde die Beschleunigung durch Differenzierung der Geschwindigkeitsdaten und Filterung gemäß den Spezifikationen des Herstellers berechnet.

Die von Vicon abgeleiteten Messdaten wurden auf 10 Hz heruntergetastet und dann mit den Catapult-Daten synchronisiert, indem die Geschwindigkeitssignale kreuzkorreliert wurden, um den Zeitversatz zu finden, der die Korrelation maximiert. Die gesamte Datenverarbeitung und -analyse wurde mit der statistischen Programmiersprache R (Version 4.0.4⁾⁷ und dem ^Paket gsignal8 durchgeführt.

Tabelle 1. Beschreibung der Bewegungsversuche

Versuch #	Beschreibung
1	5 m Sprint (linear)
2	10 m Sprint, linear
3	20 m linearer Sprint
4	5 m linearer Sprint in 45-Grad Richtungswechsel in 5 m linearen Sprint
5	5 m linearer Sprint in 90-Grad-Richtungswechsel in 5 m linearen Sprint
6	5 m linearer Sprint in 180-Grad-Richtungswechsel in 5 m linearen Sprint
7	Ein Rundkurs mit einer Kombination aus linearen Sprints und Richtungswechseln

Abbildung 1. A) Schematische Darstellung der sieben verschiedenen Bewegungsversuche. B) Aufbau während der Datenerfassung, alle Versuche begannen vom Startreferenzpunkt (weißer Kreis), Vicon-Kameras (schwarzes Trapez), ClearSky-Ankerknoten (weiße Dreiecke). Hinweis: Die gesamte Sporthalle (40 x 70 m) ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht vollständig dargestellt.

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3. STATISTISCHE ANALYSE

Versuche zum Thema Bewegung

Die folgenden Metriken wurden für jeden Versuch berechnet, um die von Vector T7 und Vicon abgeleiteten Daten zu vergleichen: die mittlere Standarddifferenz (RMSD) für Geschwindigkeit und Beschleunigung und die mittlere absolute Differenz (MAD) für den Positionsabstand von Probe zu Probe. Vicon-Versuche, bei denen mehr als 10 % der Daten fehlten, wurden von der Analyse ausgeschlossen (n = 12), da der Filteransatz bei Datenlücken zu Randeffekten führte. Die Ergebnisse werden als Mittelwert, Median und Interquartilsbereich (IQR) für jede Metrik über alle Studien und stratifiziert nach Geräteposition und Bewegungsart dargestellt.

Statische Versuche

Für statische Geräteversuche wurden die Positionsdistanz und die Verschiebung von Probe zu Probe berechnet. Die Ergebnisse werden als Mittelwert, Median, IQR und kumulative Gesamtsumme für die Entfernung und die Verschiebung von der ersten bis zur letzten Probe in der 10-minütigen Studie dargestellt. Der vom Hersteller angegebene Kilometerzähler wurde in die Ergebnisse für jedes Gerät als Bezugspunkt für die berechnete zurückgelegte Strecke aufgenommen.

4. ERGEBNISSE

Versuche zum Thema Bewegung

Die Unterschiede zwischen der von ClearSky LPS und Vicon abgeleiteten Geschwindigkeit sind in Tabelle 2 und Abbildung 2 dargestellt. Von den vier getesteten Gerätepositionen wies das in der Weste getragene Gerät den kleinsten mittleren und medianen RMSD auf, und das vorne an der Taille getragene Gerät den größten.

Diese Beobachtung wiederholte sich für den RMSD bei der Beschleunigung(Tabelle 3 und Abbildung 2). Bei den linearen Bewegungsversuchen war die Übereinstimmung zwischen den Methoden für die Geschwindigkeit am größten. Der Versuch mit¹⁸⁰⁰ Richtungswechseln ergab die höchsten RMSD-Werte für die Beschleunigung.

Tabelle 2. RMSD-Geschwindigkeit (^m-s-1) zwischen Catapult-Geräten und Vicon-Bewegungsanalysesystem.

		N	Mittlere	Median	IQR
	Alle	308	0.19	0.14	0.11 - 0.21
Standort des Geräts	Weste	79	0.14	0.12	0.09 - 0.15
	Zurück	77	0.20	0.15	0.12 - 0.22
	Vorderseite	76	0.24	0.17	0.14 - 0.27
	Linke Seite	76	0.18	0.13	0.11 - 0.18
Art der Bewegung	Linear	140	0.17	0.12	0.09 - 0.18
	COD 45	44	0.27	0.22	0.14 - 0.32
	COD 90	43	0.18	0.15	0.11 - 0.20
	COD 180	48	0.18	0.14	0.13 - 0.17
	Schaltung	33	0.22	0.18	0.17 - 0.24

Tabelle 3. RMSD-Beschleunigung (^m-s-2) zwischen Catapult-Geräten und Vicon-Bewegungsanalysesystem.

		N	Mittlere	Median	IQR
	Alle	308	0.79	0.76	0.64 - 0.91
Standort des Geräts	Weste	79	0.75	0.74	0.62 - 0.81
	Zurück	77	0.77	0.76	0.60 - 0.91
	Vorderseite	76	0.85	0.83	0.66 - 0.97
	Linke Seite	76	0.79	0.79	0.65 - 0.88
Art der Bewegung	Linear	140	0.69	0.73	0.60 - 0.81
	COD 45	44	0.67	0.67	0.48 - 0.87
	COD 90	43	0.75	0.74	0.66 - 0.85
	COD 180	48	1.24	1.25	1.16 - 1.32
	Schaltung	33	0.77	0.80	0.73 - 0.86

Abbildung 2. RMSD-Geschwindigkeits- (erste Zeile) und Beschleunigungsergebnisse (zweite Zeile) für jeden Versuch, geschichtet nach Gerätestandort (erste Spalten) und Bewegungsart (zweite Spalte).

Tabelle 4 zeigt den MAD in der Probe-zu-Probe-Distanz, abgeleitet aus den Vector T7- und Vicon-Positional-Tracking-Daten. Über alle Versuche hinweg betrug die mittlere Differenz 0,39 m, wobei die Unterschiede bei dem Gerät, das vorne an der Taille getragen wurde, und während des Kreislaufversuchs größer waren.

Tabelle 4. MAD im Probe-zu-Probe-Abstand (m) zwischen Catapult-Geräten und dem Vicon-Bewegungsanalysesystem.

		N	Mittlere	Median	IQR
	Alle	308	0.04	0.03	0.02 - 0.05
Standort des Geräts	Weste	79	0.03	0.03	0.02 - 0.04
	Zurück	77	0.04	0.03	0.02 - 0.04
	Vorderseite	76	0.05	0.04	0.03 - 0.06
	Linke Seite	76	0.04	0.03	0.03 - 0.04
Art der Bewegung	Linear	140	0.03	0.03	0.02 - 0.04
	COD 45	44	0.04	0.04	0.03 - 0.05
	COD 90	43	0.04	0.03	0.03 - 0.04
	COD 180	48	0.04	0.03	0.03 - 0.04
	Schaltung	33	0.07	0.06	0.05 - 0.09

Statische Versuche

Der Median und der IQR der Stichprobenentfernung für alle stationären Geräte war Null(Tabelle 5), was bedeutet, dass die Geräte in den meisten Zeitschritten ihre x- oder y-Koordinaten nicht verändert haben.

Allerdings verzeichneten die Geräte einige Positionsveränderungen, so dass der mittlere Abstand zwischen den Proben etwa 1-2 mm betrug. Über einen Zeitraum von 10 Minuten gab es keine starke Richtungsabhängigkeit, und die endgültige Position der Geräte lag sehr nahe an ihrer Anfangsposition (die endgültige Verschiebung lag in der Größenordnung von einigen Zentimetern).

Die herstellereigene Datenverarbeitung und -filterung, die in die Berechnung der kumulativen Entfernung (die "Kilometerzähler"-Variable) einfließt, war in der Lage, die kleinen Positionsänderungen zu korrigieren und ergab Gesamtentfernungen von weniger als 0,02 m.

Tabelle 5. Ergebnisse der statischen Versuche (drei Geräte bleiben 10 Minuten lang stehen).

	Abgeleitet von x- und y-Positionen
	Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Proben (m)			Verdrängung bei der Endprobe (m)	Kilometerzähler bei der letzten Probe (m)
Gerät	Mittlere	Median	IQR
Alle	0.001898	0	0 - 0
1	0.001644	0	0 - 0	(-0.02, -0.05)	0.02
2	0.001548	0	0 - 0	(-0.03, -0.06)	0.00
3	0.002502	0	0 - 0	(-0.06, -0.05)	0.01

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5. ZUSAMMENFASSUNG

• Vector T7-Geräte wiesen eine niedrige RMSD für Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessungen und eine niedrige MAD für Entfernungsmessungen bei Bewegungsversuchen mit hohen Beschleunigungs- und Abbremsraten und Richtungsänderungen auf.
• Die Vector T7-Geräte wiesen bei allen Bewegungsversuchen eine ähnlich niedrige RMSD für die Messung der Beschleunigung auf, mit Ausnahme einer 180-Grad-Richtungsänderung, bei der die RMSD etwas höher war. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Bewegungen in diesem Versuch höhere Beschleunigungs-/Verzögerungsraten beinhalteten, und deutet darauf hin, dass der Fehler mit zunehmender Änderungsrate der Geschwindigkeit zunimmt. Dieser Fehler kann jedoch immer noch als gering angesehen werden (mittlerer RMSD von 1,24). 
• Die Platzierung der Weste führte zu den geringsten Fehlern bei der Messung von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Distanz, während die Platzierung des Geräts vorne an der Hüfte den höchsten Fehler ergab. Unabhängig von der Platzierung des Geräts führten alle Positionen zu einem geringen Fehler bei allen Messungen, wobei alle RMSD ≤ 0,85 waren. 
• Die Positionsstabilität der Vector T7-Geräte im Stillstand war mit einem mittleren Abstand zwischen den Proben von ~1-2 mm hoch.
• Der niedrige Fehler deutet darauf hin, dass das Vector T7-Gerät in Verbindung mit ClearSky eine valide Messung von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Distanz bei mannschaftssportspezifischen Aufgaben, einschließlich linearer Maximalanstrengungen und Richtungsänderungen, ermöglicht.

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6. REFERENZEN

1. Malone, J. J., Lovell, R., Varley, M. C., & Coutts, A. J. (2017). Unpacking the black box: Anwendungen und Überlegungen zum Einsatz von GPS-Geräten im Sport. International journal of sports physiology and performance, 12(s2), S2-18.
2. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2018). Validierung des elektronischen Leistungs- und Trackingsystems EPTS unter Feldbedingungen. PloS one, 13(7), e0199519.
3. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2020). Fußballspezifische Gültigkeit der optischen Video-Tracking-Systeme von TRACAB. PloS one, 15(3), e0230179.
4. Luteberget, L. S., Spencer, M., & Gilgien, M. (2018). Validität des lokalen Positionierungssystems Catapult ClearSky T6 für mannschaftssportartspezifische Übungen unter Indoor-Bedingungen. 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). Validität eines lokalen Ultrabreitband-Positionierungssystems zur Messung der Lokomotion bei Hallensportarten. Journal of Sports Sciences, 36(15), 1727-1733.
6. Hodder, R. W., Ball, K. A., & Serpiello, F. R. (2020). Criterion validity of Catapult ClearSky T6 local positioning system for measuring inter-unit distance. Sensors, 20(13), 3693.
7. R Core Team (2021). R: Eine Sprache und Umgebung für statistisches Rechnen. R Foundation for Statistical Computing, Wien, Österreich. URL https://www.R-project.org/
8. Van Boxtel, G.J.M., Laboissière, R., & Wilhelm, H.D. (2021). gsignal: Signal processing. URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

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