Libro bianco: Vettore di convalida T7

Matthew C. Varley, Susanne Ellens, David Carey. Gruppo di ricerca sullo sport, le prestazioni e la nutrizione, Scuola di salute alleata, servizi umani e sport, Università La Trobe, Melbourne, VIC, Australia.

1. Introduzione
2. Metodi
3. Analisi statistica
4. Risultati
5. Sintesi
6. Riferimenti

1. INTRODUZIONE

I sistemi di tracciamento degli atleti sono diventati uno strumento essenziale per lo sport. Questi sistemi consentono ai professionisti di quantificare e analizzare il movimento degli atleti per comprendere meglio il carico di allenamento, la prestazione fisica, il comportamento tattico e il rischio di infortuni^.1

Sebbene siano disponibili molti sistemi di tracciamento, la maggior parte di essi presenta dei limiti se utilizzati in ambienti chiusi. Il sistema di posizionamento locale(LPS) ClearSky è una tecnologia che consente di tracciare e misurare le prestazioni degli atleti in ambienti chiusi. In particolare, il sistema fornisce la posizione e le metriche derivate dalla posizione, come la distanza, la velocità e l'accelerazione.

Il Vector T7 è un nuovo dispositivo indossabile utilizzato con il sistema ClearSky. Il Vector T7 è simile ai precedenti dispositivi utilizzati con ClearSky (Vector S7 e Catapult T6), con una frequenza di campionamento di 10 Hz.

Tuttavia, il Vector T7 utilizza un protocollo TDOA (Time Difference of Arrival) per ricavare la posizione, mentre i dispositivi precedenti utilizzano un protocollo TWR (Two Way Ranging). Il vantaggio del protocollo TDOA è che richiede un consumo energetico notevolmente inferiore rispetto al protocollo TWR, pur mantenendo la precisione dei dati di posizione.

Questa riduzione di potenza consente di ridurre le dimensioni del dispositivo. Le dimensioni ridotte del dispositivo consentono di indossare il Vector T7 in diverse posizioni dell'atleta, tra cui il posizionamento tradizionale tra le scapole o in vita.

I sistemi di tracciamento degli atleti necessitano di una convalida della loro capacità di misurare il movimento dell'atleta affinché i professionisti possano avere fiducia nei dati che consentono loro di prendere decisioni sull'allenamento e sulle partite. Come per tutte le tecnologie, i produttori rilasceranno modelli aggiornati nel corso del tempo, man mano che verranno apportati miglioramenti sia all'hardware dei dispositivi sia agli algoritmi sottostanti.

Ogni nuovo modello richiede una convalida per determinare la capacità del nuovo dispositivo di misurare ciò che si intende misurare (ad esempio, posizione, velocità e accelerazione)^.1 Ciò avviene in genere confrontando i dati del dispositivo con un criterio di misura. Il sistema Vicon è un sistema di telecamere per la cattura del movimento considerato il gold standard per la misurazione della posizione. È comune che il Vicon venga utilizzato come criterio di misura nella convalida della tecnologia di tracciamento degli atleti^{.2, 3}

Alcuni studi hanno valutato la validità dei dispositivi Catapult T6 per la misurazione della distanza, della velocità e dell'accelerazione durante compiti specifici di uno sport di squadra, tra cui sforzi lineari massimali e movimenti di cambio di direzione^.4,5,6

Questi studi hanno utilizzato un sistema di telecamere per la cattura del movimento (Vicon o Qualisys Oqus) come misura di criterio e tutti gli studi hanno concluso che i dispositivi Catapult T6 avevano una validità accettabile per la valutazione del movimento degli atleti. Dato che il Vector T7 è stato sviluppato solo di recente, è necessaria la validazione di questo dispositivo.

Pertanto, lo scopo di questo studio è stato quello di valutare la validità dei nuovi dispositivi Vector T7 per la misurazione di distanza, velocità e accelerazione.

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2. I METODI

Sei partecipanti maschi attivi a livello ricreativo (28,8 ± 5,6 anni) hanno partecipato a questo studio. Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso scritto per la loro partecipazione allo studio e le procedure utilizzate sono state condotte con l'approvazione del Comitato etico per la ricerca umana dell'Università La Trobe.

La raccolta dei dati è stata condotta in un palazzetto dello sport di 40 x 70 m, composto da tre campi da basket. I partecipanti hanno eseguito sette diverse prove di movimento in un'area di 20 x 5 m su uno dei campi da basket. Durante le prove, i dati sul movimento dei giocatori sono stati raccolti tramite un LPS (Catapult ClearSky, Catapult, Melbourne, Australia) e un sistema di analisi del movimento a 20 telecamere (Vantage, Vicon Motion Systems, Oxford, Regno Unito).

La Tabella 1 e la Figura 1 riportano una descrizione e uno schema di ogni prova. Ai partecipanti è stato chiesto di eseguire tutte le prove a un'intensità massima e di fermarsi completamente alla fine della prova (decelerazione). I partecipanti hanno eseguito un riscaldamento di 5 minuti prima dell'inizio della prova. Ogni prova di movimento è stata eseguita due volte per un totale di 14 prove, separate da circa 3 minuti. 

I partecipanti sono stati dotati di quattro dispositivi Vector T7 posizionati in quattro punti diversi. Un dispositivo è stato posizionato tra le scapole del partecipante utilizzando l'imbragatura fornita dal produttore.

Gli altri tre dispositivi sono stati posizionati intorno alla vita dei partecipanti, in particolare nella parte anteriore (sezione trasversale del punto medio tra le due spine iliache superiori anteriori), nel lato sinistro (sezione trasversale del punto medio tra le spine iliache superiori anteriori e posteriori) e nella parte posteriore (sezione trasversale del punto medio tra le due spine iliache superiori posteriori) in una clip per cintura personalizzata fornita dal produttore e agganciata ai pantaloncini dei partecipanti.

Oltre alle prove di movimento, è stata eseguita una prova statica per valutare la stabilità del posizionamento dei dispositivi Vector T7 utilizzando un protocollo di posizionamento fisso. Tre dispositivi sono stati posizionati su un treppiede (1,5 m di altezza) e lasciati a raccogliere dati per un periodo di 10 minuti. Due dei dispositivi sono stati posizionati al centro del campo centrale e uno sul bordo largo del campo.

L'LPS ClearSky è stato installato intorno al palazzetto dello sport e consisteva in 21 nodi di ancoraggio fissati a un'altezza media di 8,4 m dal suolo con una distanza media di 10,4 m tra ciascun nodo. I dati sono stati acquisiti a 10 Hz ed elaborati con il software del produttoreOpenField versione 3.9.0). I dati di velocità, accelerazione, posizione x-y e odometro (distanza cumulativa) sono stati esportati per ogni prova per ulteriori analisi.

Il sistema di analisi del movimento a 20 telecamere (Vicon), con campionamento a 100 Hz, è stato utilizzato come criterio di misurazione di distanza, velocità e accelerazione. Le telecamere sono state montate su treppiedi e posizionate a 3 m dal perimetro dell'area in cui sono state eseguite le prove di movimento. Quattro marcatori retroriflettenti con un diametro di 32 mm sono stati posizionati all'esterno del giubbotto fornito dal produttore e di ciascuna clip della cintura contenente i dispositivi Vector T7, in corrispondenza del centro di ciascun dispositivo.  

I dati Vicon sono stati etichettati ed elaborati con Vicon Nexus 2.14. L'elaborazione dei dati Vicon grezzi è consistita nel filtraggio con un filtro Butterworth passa-basso di quarto ordine con una frequenza di taglio di 3 Hz, determinata in base all'analisi dei residui. Gli spazi vuoti nei dati ≤50 ms (5 campioni) sono stati riempiti utilizzando l'interpolazione spline, mentre gli spazi vuoti ≥50 ms sono stati esclusi dall'analisi. Per l'analisi sono state utilizzate le coordinate XY dei dati Vicon filtrati a 100 Hz, mentre le coordinate z (spostamento verticale) sono state trascurate nei calcoli poiché ClearSky era configurato per il posizionamento bidimensionale (2D).

Per ciascuno dei quattro marcatori Vicon in ogni prova di movimento (n=320) la velocità 2D è stata calcolata differenziando i dati posizionali e applicando ai dati LPS lo stesso filtro utilizzato nel software del produttore. Queste informazioni sono state fornite ai ricercatori dal produttore; tuttavia, i dettagli non sono inclusi in questa sede a causa della proprietà intellettuale del produttore. Analogamente, l'accelerazione è stata calcolata differenziando i dati di velocità e filtrando secondo le specifiche del produttore.

Le metriche derivate da Vicon sono state sottoposte a campionamento a 10 Hz e quindi sincronizzate con i dati di Catapult mediante correlazione incrociata dei segnali di velocità per trovare l'offset temporale che massimizzasse la correlazione. Tutte le elaborazioni e le analisi dei dati sono state eseguite utilizzando il linguaggio di programmazione statistica R (versione 4.0.4⁾⁷ e il pacchetto ^gsignal8.

Tabella 1. Descrizione delle prove di movimento

Figura 1. A) Schema delle sette diverse prove di movimento. B) Setup durante la raccolta dei dati, tutte le prove sono iniziate dal punto di riferimento iniziale (cerchio bianco), telecamere Vicon (trapezio nero), nodi di ancoraggio ClearSky (triangoli bianchi). Nota: l'intero palazzetto dello sport (40 x 70 m) non è mostrato per intero per chiarezza.

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3. ANALISI STATISTICA

Prove di movimento

Per ogni prova sono state calcolate le seguenti metriche di confronto tra i dati del Vector T7 e quelli derivati dal Vicon: differenza media standard (RMSD) per la velocità e l'accelerazione e differenza assoluta media (MAD) per la distanza posizionale da campione a campione. Le prove Vicon con più del 10% di dati mancanti sono state escluse dalle analisi (n = 12) a causa dell'introduzione di effetti di margine da parte dell'approccio di filtraggio in presenza di lacune nei dati. I risultati sono presentati come media, mediana e intervalli interquartili (IQR) per ciascuna metrica, per tutti gli studi e stratificati per posizione del dispositivo e tipo di movimento.

Prove statiche

Per le prove con dispositivi statici sono stati calcolati la distanza e lo spostamento posizionale da campione a campione. I risultati sono presentati come media, mediana, IQR e totale cumulativo per la distanza e lo spostamento dal primo all'ultimo campione nella prova di 10 minuti. La metrica del produttore "odometro" è stata inclusa nei risultati di ciascun dispositivo come punto di riferimento per il calcolo della distanza percorsa.

4. RISULTATI

Prove di movimento

Le differenze tra la velocità derivata da ClearSky LPS e quella derivata da Vicon sono riportate nella Tabella 2 e nella Figura 2. Delle quattro posizioni del dispositivo testate, il dispositivo indossato nel giubbotto ha avuto l'RMSD medio e mediano più basso, mentre il dispositivo indossato davanti alla vita è stato il più alto.

Questa osservazione si è ripetuta per l'RMSD dell'accelerazione(Tabella 3 e Figura 2). Le prove di movimento lineare hanno registrato l'accordo più stretto tra i metodi per la velocità. La prova di movimento con¹⁸⁰⁰ cambi di direzione ha prodotto i valori più alti di RMSD per l'accelerazione.

Tabella 2. Velocità RMSD (^m-s-1) tra i dispositivi Catapult e il sistema di analisi del movimento Vicon.

Tabella 3. Accelerazione RMSD (^m-s-2) tra i dispositivi Catapult e il sistema di analisi del movimento Vicon.

Figura 2. Risultati dell'RMSD della velocità (prima riga) e dell'accelerazione (seconda riga) per ogni prova, stratificati in base alla posizione del dispositivo (prima colonna) e al tipo di movimento (seconda colonna).

La Tabella 4 mostra la MAD nella distanza campione-campione derivata dai dati di tracciamento posizionale del Vector T7 e del Vicon. In tutte le prove la differenza media è stata di 0,39 m; le differenze sono state maggiori nel dispositivo indossato nella parte anteriore della vita e durante la prova di movimento del circuito.

Tabella 4. MAD nella distanza da campione a campione (m) tra i dispositivi Catapult e il sistema di analisi del movimento Vicon.

Prove statiche

La distanza mediana e l'IQR da campione a campione per tutti i dispositivi stazionari era pari a zero(Tabella 5), il che indica che nella maggior parte dei tempi i dispositivi non hanno cambiato le loro coordinate x o y.

Tuttavia, i dispositivi hanno registrato alcuni cambiamenti di posizione, tanto che la distanza media tra i campioni era di circa 1-2 mm. Nell'arco di 10 minuti non si sono verificate forti distorsioni direzionali e la posizione finale dei dispositivi era molto vicina a quella iniziale (spostamento finale dell'ordine di pochi centimetri).

L'elaborazione e il filtraggio dei dati, inclusi nel calcolo della distanza cumulativa del produttore (la variabile "odometro"), sono stati in grado di correggere le piccole variazioni di posizione e hanno restituito distanze totali inferiori a 0,02 metri.

Tabella 5. Risultati delle prove statiche (tre dispositivi lasciati fermi per 10 minuti).

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5. SOMMARIO

• I dispositivi Vector T7 hanno presentato un basso RMSD per le misure di velocità e accelerazione e un basso MAD per le misure di distanza durante le prove di movimento che prevedevano alti tassi di accelerazione, decelerazione e cambio di direzione.
• I dispositivi Vector T7 hanno mostrato un RMSD simile e basso per le misure di accelerazione in tutte le prove di movimento, con l'eccezione di un cambio di direzione di 180 gradi in cui l'RMSD era leggermente più alto. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che i movimenti di questa prova comportavano tassi di accelerazione/decelerazione più elevati e suggerisce che l'errore aumenta con l'aumentare del tasso di variazione della velocità. Tuttavia, questo errore può ancora essere considerato basso (RMSD medio di 1,24). 
• Il posizionamento del giubbotto ha prodotto l'errore più basso per le misure di velocità, accelerazione e distanza, mentre il posizionamento del dispositivo nella parte anteriore della vita ha prodotto l'errore più alto. Indipendentemente dal posizionamento del dispositivo, tutte le posizioni hanno comportato un basso errore in tutte le misure, con tutti gli RMSD ≤ 0,85. 
• La stabilità posizionale dei dispositivi Vector T7 da fermi è stata elevata, con una distanza media tra i campioni di ~1-2 mm.
• Il basso errore suggerisce che il dispositivo Vector T7 utilizzato insieme a ClearSky fornisce una misura valida della velocità, dell'accelerazione e della distanza durante le attività specifiche di uno sport di squadra, compresi gli sforzi lineari massimali e i movimenti di cambio di direzione.

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6. RIFERIMENTI

1. Malone, J. J., Lovell, R., Varley, M. C., & Coutts, A. J. (2017). Spacchettare la scatola nera: applicazioni e considerazioni sull'uso dei dispositivi GPS nello sport. International journal of sports physiology and performance, 12(s2), S2-18.
2. Linke, D., Link, D. e Lames, M. (2018). Convalida dei sistemi elettronici di tracciamento e prestazione EPTS in condizioni di campo. PloS one, 13(7), e0199519.
3. Linke, D., Link, D. e Lames, M. (2020). Validità specifica per il calcio dei sistemi di tracciamento ottico video TRACAB. PloS one, 15(3), e0230179.
4. Luteberget, L. S., Spencer, M., & Gilgien, M. (2018). Validità del sistema di posizionamento locale Catapult ClearSky T6 per esercitazioni specifiche di sport di squadra, in condizioni indoor. Frontiere della fisiologia, 9, 115.
5. Serpiello, F. R., Hopkins, W. G., Barnes, S., Tavrou, J., Duthie, G. M., Aughey, R. J., & Ball, K. (2018). Validità di un sistema di posizionamento locale a banda ultralarga per misurare la locomozione negli sport indoor. Journal of sports sciences, 36(15), 1727-1733.
6. Hodder, R. W., Ball, K. A., & Serpiello, F. R. (2020). Validità del criterio del sistema di posizionamento locale Catapult ClearSky T6 per la misurazione della distanza inter-unità. Sensori, 20(13), 3693.
7. R Core Team (2021). R: un linguaggio e un ambiente per il calcolo statistico. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. URL https://www.R-project.org/
8. Van Boxtel, G.J.M., Laboissière, R., & Wilhelm, H.D. (2021). gsignal: Elaborazione del segnale. URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

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