ホワイトペーパー検証ベクターT7

マシュー・C・ヴァーリー、スザンヌ・エレンズ、デイヴィッド・キャリー。スポーツ・パフォーマンス・栄養研究グループ、アライド・ヘルス・ヒューマン・サービス・スポーツ学部、ラ・トローブ大学、メルボルン、VIC、オーストラリア。

1. はじめに
2. 方法
3. 統計分析
4. 結果
5. 概要
6. 参考文献

1.はじめに

アスリート・トラッキング・システムは、スポーツに不可欠なツールとなっています。これらのシステムにより、専門家はアスリートの動きを定量化・分析し、トレーニング負荷、身体パフォーマンス、戦術行動、傷害リスクをより深く理解することが^{できます1。}

多くのトラッキングシステムがありますが、屋内で使用する場合、そのほとんどに限界があります。ClearSky Local Positioning System(LPS)は、屋内環境でアスリートのパフォーマンスをトラッキングし、計測する技術です。具体的には、このシステムは、距離、速度、加速度などの位置と位置に由来するメトリックスを出力します。

Vector T7は、ClearSkyシステムで使用される新しいウェアラブルデバイスである。Vector T7は、ClearSkyで使用される以前のデバイス（Vector S7およびCatapult T6）と同様で、サンプリング周波数は10Hzです。

しかし、Vector T7は、従来のデバイスがTWR（Two Way Ranging）プロトコルを使用しているのに対し、TDOA（Time Difference of Arrival）プロトコルを使用して位置を導出している。TDOAプロトコルの利点は、位置データの精度を維持しながら、TWRプロトコルに比べてデバイスの消費電力を大幅に削減できることです。

この出力低下により、装置の小型化が可能になった。この小型化により、ベクターT7は従来の肩甲骨の間や腰など、アスリートのさまざまな位置に装着できるようになった。

アスリート・トラッキング・システムは、練習者がトレーニングや試合練習の決定を下すためのデータに自信を持つために、アスリートの動きを測定する能力の検証を必要とします。すべてのテクノロジーと同様に、デバイスのハードウェアとその基礎となるアルゴリズムの両方が改善されるにつれて、メーカーは時間の経過とともに更新モデルをリリースします。

それぞれの新しいモデルは、その新しいデバイスが測定しようとするもの（例えば、位置、速度、加速度）を測定する能力を決定するための検証を必要とする^。バイコンシステムは、位置測定のゴールドスタンダードとされるモーションキャプチャーカメラシステムである。アスリートトラッキング技術の検証において、Viconが基準指標として使用されることは一般的^{です2, 3。}

これまでの研究では、直線的な最大努力や方向転換動作など、チームスポーツに特化したタスク中の距離、速度、加速度を測定するためのCatapult T6デバイスの有効性が評価されている^4,5,6。

これらの研究では、基準指標としてモーションキャプチャカメラシステム（ViconまたはQualisys Oqus）が使用されており、すべての研究で、Catapult T6 デバイスはアスリートの動きを評価するのに許容できる妥当性があると結論づけられている。Vector T7は最近開発されたばかりであるため、この装置の妥当性検証が必要である。

したがって、この研究の目的は、距離、速度、加速度を測定するための新しい ベクターT7装置の妥当性を評価することであった。

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2.方法

本研究には、レクリエーションに積極的な男性6名（28.8±5.6歳）が参加した。参加者は全員、本研究への参加について書面による同意を提供し、使用された手順はラ・トローブ大学のヒト研究倫理委員会の承認を得て実施された。

データ収集は、3面のバスケットボールコートからなる40×70mのスポーツホールで行われた。参加者は、バスケットボールコートの1面にある20×5mのエリアで、7種類の動作トライアルを行った。試技中、選手の運動データは、LPS（Catapult ClearSky、Catapult社、オーストラリア・メルボルン）と20台のカメラによる運動解析システム（Vantage、Vicon Motion Systems社、イギリス・オックスフォード）を通じて収集された。

各試験の説明と概略を表1と図1に示す。参加者はすべての試技を最大強度で行い、試技終了時には完全に停止するよう求められた（減速）。参加者は試技開始前に5分間のウォームアップを行った。各試技は3分間隔で2回、合計14回の試技を行った。 

参加者は4台のVector T7デバイスを4箇所に装着した。1台は、メーカー支給のベストを使用して、参加者の肩甲骨の間に設置された。

残りの3つのデバイスは、参加者の腰の周りに配置された。具体的には、前側（2つの前上腸骨棘の間の中間点の断面）、左側（前上腸骨棘と後上腸骨棘の間の中間点の断面）、後ろ側（2つの後上腸骨棘の間の中間点の断面）であり、メーカーが提供したカスタムウエストバンドクリップで、参加者のショーツに留められた。

移動試験とは別に、固定配置プロトコルを用いてベクターT7装置の位置決めの安定性を評価するための静的試験が行われた。3台の装置をそれぞれ三脚（高さ1.5m）に設置し、10分間放置してデータを収集した。そのうち2台は中庭の中央に、1台は広庭の端に設置された。

ClearSky LPSはスポーツホールの周囲に設置され、地面から平均8.4mの高さ、各ノード間の平均距離10.4mに固定された21個のアンカーノードで構成された。データは10Hzで取得され、メーカーのソフトウェアOpenField version 3.9.0）を使って処理された。速度、加速度、x-y位置、オドメーター（累積距離）のデータは、各試行ごとにエクスポートされ、さらなる分析に使用された。

基準距離、速度、加速度の測定には、100Hzでサンプリングされた20台のカメラによる動作解析システム（Vicon）を使用した。カメラは三脚に取り付けられ、運動試行が行われた領域の周囲から3mの位置に設置された。直径32mmの4つの再帰反射マーカーを、メーカー提供のベストの外側と、Vector T7デバイスを装着した各ウエストバンドクリップの外側に、各デバイスの中央に対応するように設置した。  

ViconデータはVicon Nexus 2.14でラベル付けされ、処理された。Viconの生データのデータ処理は、残差分析に基づいて決定された3Hzのカットオフ周波数を持つ4次のローパスバターワースフィルターを用いたフィルタリングで構成された。50ms（5サンプル）以下のデータのギャップはスプライン補間で埋められ、50ms以上のギャップは解析から除外された。フィルタリングされた100HzのViconデータのXY座標が解析に使用され、Z座標（垂直変位）はClearSkyが2次元（2D）ポジショニング用に設定されているため、計算では無視された。

各運動トライアルにおける4つのViconマーカー（n=320）それぞれについて、位置データを差分し、LPSデータにメーカーソフトウェアで使用されているのと同じフィルタを適用することにより、2次元速度を算出した。この情報はメーカーから研究者に提供されたものであるが、メーカーの知的財産のため、詳細はここでは記載しない。同様に、加速度も速度データを差分し、メーカー仕様のフィルタを適用して算出した。

Viconから得られたメトリクスを10Hzにダウンサンプリングし、速度信号を相互相関させて相関を最大にする時間オフセットを見つけることによって、Catapultデータと同期させた。すべてのデータ処理と解析は、R統計プログラミング言語（バージョン4.0.4^）7とgsignal^{パッケージ}8を用いて行った。

表1.動作トライアルの説明

図1.A)7種類の動作トライアルの概略図。 B) データ収集時のセットアップ。すべてのトライアルはスタート基準点（白丸）、Viconカメラ（黒台形）、ClearSkyアンカーノード（白三角）から開始。注：スポーツホール全体（40×70mはわかりやすくするため、全体は示していない）。

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3.統計分析

ムーブメント・トライアル

各トライアルについて、Vector T7とViconのデータを比較し、速度と加速度のRMSD(root mean standard difference)、サンプル間位置距離のMAD(mean absolute difference)を算出した。データ欠損が10％を超えるViconのトライアルは、データにギャップが存在する場合、フィルタリングアプローチによりエッジ効果が導入されるため、解析から除外した（n = 12）。結果は、全試行にわたる各指標の平均値、中央値、四分位範囲（IQR）で示し、デバイスの位置と動作タイプで層別化した。

静的トライアル

静的装置の試行では、サンプル間の位置距離と変位が計算された。結果は、距離の平均値、中央値、IQR、累積合計、および10分間の試行における最初のサンプルから最後のサンプルまでの変位として示される。各装置の結果には、算出された移動距離の参照点として、製造元の指標である「オドメーター」が含まれている。

4.結果

ムーブメント・トライアル

ClearSky LPSとViconが算出した速度との差を表2および図2に示す。テストした4つのデバイス位置のうち、ベストに装着したデバイスのRMSDが最も小さく、中央値も小さかった。

この観察は加速度のRMSDでも繰り返された（表3、図2）。速度については、直線運動の試行が最も方法間で一致した。加速度については、¹⁸⁰⁰回の方向転換運動試行が最も高いRMSD値を示した。

表2.カタパルト装置とVicon動作解析システム間のRMSD速度（m-^s-1）。

表3.カタパルト装置とVicon動作解析システム間のRMSD加速度（m・^s-2）。

図2.各トライアルにおけるRMSD速度（1行目）と加速度（2行目）の結果を、デバイスの位置（1列目）と動作タイプ（2列目）で層別化したもの。

表4は、Vector T7とViconの位置トラッキングデータから得られたサンプル間距離のMADを示している。すべての試技において、平均差は0.39mであり、腰の前面に装着した試技と回路運動試技において差が大きかった。

表4.CatapultデバイスとVicon動作解析システム間のサンプル間距離（m）のMAD。

静的トライアル

すべての静止デバイスのサンプル間距離の中央値およびIQRはゼロであり（表5）、ほとんどのタイムステップでデバイスがxまたはy座標を変化させなかったことを示している。

しかし、サンプル間の平均距離は約1～2mmであった。10分以上にわたって強い方向性の偏りは見られず、装置の最終的な位置は初期位置に非常に近かった（最終的な変位は数センチのオーダー）。

累積距離（「オドメーター」変数）の計算に含まれるメーカー独自のデータ処理とフィルタリングは、わずかな位置の変化を補正し、0.02m未満の総距離を返すことができた。

表5.静的トライアル（3つの装置を10分間静止させた）の結果。

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5.概要

• ベクターT7デバイスは、高い加速度、減速度、方向転換を含む運動試行において、速度と加速度の測定値のRMSDが低く、距離の測定値のMADが低かった。
• ベクターT7デバイスは、180度の方向転換を除いて、すべての運動トライアルで加速度の測定値について同様の低いRMSDを示し、RMSDはわずかに高くなった。これは、この試技の動作がより高い加減速速度を含むためと思われ、速度の変化率が大きくなるにつれて誤差が大きくなることを示唆している。しかし、この誤差はまだ低いと考えられる（平均RMSDは1.24）。 
• ベストを装着した場合、速度、加速度、距離の測定で最も誤差が小さくなったが、腰の前面に装着した場合は最も誤差が大きくなった。装置の配置にかかわらず、すべての位置ですべての測定で誤差が小さく、RMSD≦0.85であった。 
• ベクターT7装置の静止時の位置安定性は高く、サンプル間の平均距離は～1～2mmであった。
• この誤差の少なさは、ClearSkyと併用されるVector T7デバイスが、直線的な最大努力や方向転換動作を含むチームスポーツ特有のタスクにおいて、速度、加速度、距離の有効な測定値を提供することを示唆している。

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6.参考文献

1. Malone, J. J., Lovell, R., Varley, M. C., & Coutts, A. J. (2017).Unpacking the black box: Applications and Considerations for using GPS devices in sport.International journal of sports physiology and performance, 12(s2), S2-18.
2. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2018).フィールド条件下での電子パフォーマンス・トラッキングシステムEPTSの検証。PloS one, 13(7), e0199519.
3. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2020).サッカーに特化したTRACABの光学式ビデオトラッキングシステムの有効性。PloS one, 15(3), e0230179.
4. Luteberget, L. S., Spencer, M., & Gilgien, M. (2018).Catapult ClearSky T6 local positioning system for team sports specific drills, in indoor conditions.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).インドアスポーツにおけるロコモーション測定のための超広帯域局所測位システムの妥当性。Journal of sports sciences, 36(15), 1727-1733.
6. Hodder, R. W., Ball, K. A., & Serpiello, F. R. (2020).ユニット間距離測定のためのCatapult ClearSky T6 局所測位システムの基準妥当性。Sensors, 20(13), 3693.
7. R コアチーム (2021).R: A language and environment for statistical computing.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：信号処理。URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

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