Белая книга: Вектор проверки T7

Мэтью К. Варли, Сюзанна Элленс, Дэвид Кэри. Исследовательская группа по спорту, производительности и питанию, Школа вспомогательного здравоохранения, человеческих услуг и спорта, Университет Ла Тробе, Мельбурн, штат Виктория, Австралия.

1. Введение
2. Методы
3. Статистический анализ
4. Результаты
5. Резюме
6. Ссылки

1. ВВЕДЕНИЕ

Системы слежения за спортсменами стали важным инструментом в спорте. Эти системы позволяют специалистам количественно оценивать и анализировать движения спортсменов, чтобы лучше понять тренировочную нагрузку, физическую работоспособность, тактическое поведение и риск травм^.1

Хотя существует множество систем слежения, большинство из них имеют ограничения при использовании в помещениях. Система локального позиционирования(LPS) ClearSky - это технология, обеспечивающая отслеживание и измерение результатов спортсменов в закрытых помещениях. В частности, система выдает данные о положении и метрики, зависящие от положения, такие как расстояние, скорость и ускорение.

Vector T7 - это новое носимое устройство, которое используется с системой ClearSky. Vector T7 похож на предыдущие устройства, используемые с ClearSky (Vector S7 и Catapult T6), с частотой дискретизации 10 Гц.

Однако Vector T7 использует протокол временной разницы прибытия (TDOA) для определения местоположения, в то время как предыдущие устройства используют протокол двухсторонней связи (TWR). Преимущество протокола TDOA заключается в том, что он требует значительно меньшего энергопотребления устройства по сравнению с протоколом TWR, сохраняя при этом точность данных о местоположении.

Снижение мощности позволяет уменьшить размер устройства. Уменьшенный размер устройства позволяет носить Vector T7 в нескольких местах на теле спортсмена, включая традиционное размещение между лопатками или размещение на талии.

Системы слежения за спортсменами требуют подтверждения их способности измерять движения спортсменов, чтобы специалисты могли быть уверены в данных, позволяющих им принимать решения о тренировках и матчах. Как и в случае с любой другой технологией, производители будут выпускать обновленные модели по мере совершенствования как аппаратной части устройств, так и лежащих в их основе алгоритмов.

Каждая новая модель требует проверки, чтобы определить способность нового устройства измерять то, для чего оно предназначено (например, положение, скорость и ускорение)^.1 Обычно это делается путем сравнения данных с устройства с критериальным показателем. Система Vicon - это система камер захвата движения, которая считается золотым стандартом для измерения положения. Обычно Vicon используется в качестве критериального показателя при проверке технологии отслеживания спортсменов^{.2, 3}

В исследованиях оценивалась эффективность устройств Catapult T6 для измерения расстояния, скорости и ускорения во время выполнения командных спортивных заданий, включая линейные максимальные усилия и движения с изменением направления^.4,5,6

В этих исследованиях в качестве критериального показателя использовалась система камер захвата движения (Vicon или Qualisys Oqus), и все исследования пришли к выводу, что устройства Catapult T6 имеют приемлемую валидность для оценки движений спортсмена. Учитывая, что устройство Vector T7 было разработано совсем недавно, необходимо провести валидацию этого устройства.

Поэтому целью данного исследования было оценить эффективность новых устройств Vector T7 для измерения расстояния, скорости и ускорения.

→ Загрузите эту Белую книгу Vector T7, нажав здесь.

2. МЕТОДЫ

В этом исследовании приняли участие шесть рекреационно активных мужчин (28,8 ± 5,6 лет). Все участники дали письменное согласие на участие в исследовании, а используемые процедуры были одобрены Комитетом по этике исследований человека Университета Ла Тробе.

Сбор данных проводился в спортивном зале размером 40 x 70 м, состоящем из трех баскетбольных площадок. Участники выполняли семь различных пробных движений в зоне 20 х 5 м на одной из баскетбольных площадок. Во время испытаний данные о движении игроков собирались с помощью LPS (Catapult ClearSky, Catapult, Мельбурн, Австралия) и 20-камерной системы анализа движений (Vantage, Vicon Motion Systems, Оксфорд, Великобритания).

Описание и схема каждого испытания представлены в таблице 1 и на рисунке 1. Участников просили выполнять все испытания с максимальной интенсивностью и полностью останавливаться в конце испытания (замедление). Перед началом испытания участники выполняли 5-минутную разминку. Каждое испытание движения выполнялось дважды, всего 14 испытаний с интервалом между каждым испытанием ~3 мин. 

Участники были оснащены четырьмя устройствами Vector T7, расположенными в четырех разных местах. Одно устройство размещалось между лопатками участника с помощью жилета, поставляемого производителем.

Остальные три устройства располагались на талии участников, в частности, спереди (поперечное сечение средней точки между двумя передними верхними подвздошными корешками), слева (поперечное сечение средней точки между передними и задними верхними подвздошными корешками) и сзади (поперечное сечение средней точки между двумя задними верхними подвздошными корешками) в специальном поясном зажиме, поставляемом производителем, который крепился к шортам участников.

Помимо испытаний на движение, было проведено статическое испытание для оценки стабильности позиционирования устройств Vector T7 с использованием протокола фиксированного размещения. Три устройства были размещены на штативе (высота 1,5 м) и оставлены для сбора данных на 10 минут. Два устройства были размещены в центре средней площадки, а одно - на широком краю площадки.

Система ClearSky LPS была установлена вокруг спортивного зала и состояла из 21 анкерного узла, закрепленного на средней высоте 8,4 м от земли со средним расстоянием 10,4 м между каждым узлом. Данные собирались с частотой 10 Гц и обрабатывались с помощью программного обеспечения производителяOpenField версии 3.9.0). Данные о скорости, ускорении, положении x-y и одометре (суммарном расстоянии) экспортировались для каждого испытания для дальнейшего анализа.

В качестве критериального измерителя расстояния, скорости и ускорения использовалась 20-камерная система анализа движения (Vicon) с частотой дискретизации 100 Гц. Камеры были установлены на штативах и размещены на расстоянии 3 м от периметра участка, на котором проводились двигательные испытания. Четыре светоотражающих маркера диаметром 32 мм были размещены на внешней стороне жилета, поставляемого производителем, и на каждой поясной клипсе, содержащей устройства Vector T7, в соответствии с серединой каждого устройства.  

Данные Vicon маркировались и обрабатывались с помощью Vicon Nexus 2.14. Обработка необработанных данных Vicon заключалась в фильтрации с помощью низкочастотного фильтра Баттерворта четвертого порядка с частотой среза 3 Гц, которая определялась на основе анализа остатков. Промежутки в данных ≤50 мс (5 образцов) заполнялись с помощью сплайн-интерполяции, промежутки ≥50 мс исключались из анализа. Для анализа использовались XY-координаты отфильтрованных 100 Гц данных Vicon, z-координаты (вертикальное смещение) в расчетах не учитывались, так как ClearSky был настроен на двумерное (2D) позиционирование.

Для каждого из четырех маркеров Vicon в каждом испытании движения (n=320) двухмерная скорость была рассчитана путем дифференцирования позиционных данных и применения того же фильтра, который используется в программном обеспечении производителя для данных LPS. Эта информация была предоставлена исследователям производителем, однако подробности здесь не приводятся в связи с интеллектуальной собственностью производителя. Аналогично, ускорение рассчитывалось путем дифференцирования данных о скорости и фильтрации с использованием спецификаций производителя.

Полученные Vicon метрики были понижены до 10 Гц, а затем синхронизированы с данными Catapult путем перекрестной корреляции сигналов скорости для нахождения временного смещения, обеспечивающего максимальную корреляцию. Вся обработка и анализ данных проводились с использованием языка статистического программирования R (версия 4.0.4⁾⁷ и пакета ^gsignal8.

Таблица 1. Описание испытаний движений

Рисунок 1. A) Схема семи различных испытаний движения. B) Установка во время сбора данных; все испытания начинались с исходной точки (белый круг), камеры Vicon (черная трапеция), якорные узлы ClearSky (белые треугольники). Примечание: весь спортивный зал (40 x 70 м не показан полностью для наглядности).

→ Загрузите эту Белую книгу Vector T7, нажав здесь.

3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Испытания движением

Для каждого испытания были рассчитаны следующие показатели, сравнивающие данные Vector T7 и Vicon: среднеквадратичная разница (RMSD) для скорости и ускорения и среднеабсолютная разница (MAD) для позиционного расстояния между образцами. Исследования Vicon, в которых отсутствовали более 10 % данных, были исключены из анализа (n = 12) из-за возникновения краевых эффектов в результате фильтрации, когда в данных имелись пробелы. Результаты представлены в виде среднего значения, медианы и интерквартильного размаха (IQR) для каждой метрики по всем испытаниям, а также в разбивке по расположению устройства и типу движения.

Статические испытания

Для статических испытаний устройств рассчитывались позиционное расстояние и смещение от образца к образцу. Результаты представлены как среднее, медиана, IQR и кумулятивный итог для расстояния и смещения от первого до последнего образца в 10-минутном испытании. Метрика производителя "одометр" была включена в результаты для каждого устройства в качестве точки отсчета для рассчитанного пройденного расстояния.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

Испытания движением

Различия между скоростями, полученными с помощью ClearSky LPS и Vicon, представлены в таблице 2 и на рисунке 2. Из четырех протестированных положений устройства, устройство, носимое в жилете, имело наименьший средний и медианный RMSD, а устройство, носимое в передней части талии, - наибольший.

Это наблюдение повторилось и для RMSD в ускорении(Таблица 3 и Рисунок 2). В испытаниях на линейное движение наблюдалось наиболее тесное согласование между методами для скорости. Испытание на изменение направления движения¹⁸⁰⁰ привело к самым высоким значениям RMSD для ускорения.

Таблица 2. RMSD скорости (^м-с-1) между устройствами Catapult и системой анализа движения Vicon.

Таблица 3. RMSD ускорения (^м-с-2) между устройствами Catapult и системой анализа движения Vicon.

Рисунок 2. Результаты RMSD скорости (первая строка) и ускорения (вторая строка) для каждого испытания, распределенные по расположению устройства (первые столбцы) и типу движения (второй столбец).

В Таблице 4 показана разница между расстоянием от образца до образца, полученная на основе данных позиционного отслеживания Vector T7 и Vicon. Во всех испытаниях средняя разница составила 0,39 м, различия были больше в устройстве, надетом на переднюю часть талии, и во время испытания на движение по контуру.

Таблица 4. MAD в расстоянии от образца до образца (м) между устройствами Catapult и системой анализа движения Vicon.

Статические испытания

Медиана и IQR расстояния от выборки до выборки для всех стационарных устройств равны нулю(табл. 5), что говорит о том, что в большинстве временных интервалов устройства не меняли свои координаты x или y.

Однако приборы регистрировали некоторые изменения в положении, так что среднее расстояние между образцами составляло примерно 1-2 мм. В течение 10 минут не наблюдалось сильного смещения направления, и конечное положение устройств было очень близко к их начальному положению (конечное смещение порядка нескольких сантиметров).

Собственная обработка и фильтрация данных, включенные производителем в расчет суммарного расстояния (переменная "одометр"), смогли скорректировать небольшие изменения в положении и вернули общее расстояние менее 0,02 м.

Таблица 5. Результаты статических испытаний (три устройства оставались неподвижными в течение 10 минут).

→ Загрузите эту Белую книгу Vector T7, нажав здесь.

5. РЕЗЮМЕ

• Устройства Vector T7 имеют низкий показатель RMSD для измерений скорости и ускорения и низкий показатель MAD для измерений расстояния во время испытаний на движение, включающих высокие скорости ускорения, замедления и изменения направления.
• Устройства Vector T7 продемонстрировали одинаково низкий RMSD для измерений ускорения во всех испытаниях на движение, за исключением 180-градусного изменения направления, где RMSD был немного выше. Вероятно, это связано с тем, что движения в этом испытании включали более высокие скорости ускорения/замедления, и можно предположить, что ошибка увеличивается с увеличением скорости изменения скорости. Однако эту ошибку все равно можно считать низкой (средний RMSD 1,24). 
• Размещение жилета привело к наименьшей ошибке при измерении скорости, ускорения и расстояния, в то время как размещение устройства в передней части талии привело к наибольшей ошибке. Независимо от расположения устройства все места размещения привели к низкой погрешности по всем показателям: RMSD ≤ 0,85. 
• Стабильность позиционирования устройств Vector T7 в неподвижном состоянии была высокой, а среднее расстояние между образцами составляло ~1-2 мм.
• Низкая погрешность говорит о том, что устройство Vector T7 в сочетании с ClearSky обеспечивает достоверное измерение скорости, ускорения и расстояния во время выполнения командных спортивных заданий, включая линейные максимальные усилия и движения с изменением направления.

→ Загрузите эту Белую книгу Vector T7, нажав здесь.

6. ССЫЛКИ

1. Мэлоун, Дж. Дж., Ловелл, Р., Варли, М. К., и Куттс, А. Дж. (2017). Распаковка черного ящика: применение и соображения по использованию GPS-устройств в спорте. Международный журнал спортивной физиологии и производительности, 12(s2), S2-18.
2. Линке, Д., Линк, Д., и Ламес, М. (2018). Валидация электронных систем производительности и отслеживания EPTS в полевых условиях. PloS one, 13(7), e0199519.
3. Линке, Д., Линк, Д., и Ламес, М. (2020). Валидность оптических систем видеослежения TRACAB с учетом специфики футбола. PloS one, 15(3), e0230179.
4. Лютебергет, Л. С., Спенсер, М., и Гилджин, М. (2018). Валидность системы локального позиционирования Catapult ClearSky T6 для тренировок в командных видах спорта в условиях закрытого помещения. Frontiers in physiology, 9, 115.
5. Серпиелло, Ф. Р., Хопкинс, В. Г., Барнс, С., Тавру, Ж., Дьюти, Г. М., Оги, Р. Дж. и Болл, К. (2018). Валидность сверхширокополосной системы локального позиционирования для измерения локомоции в спорте в помещении. Журнал спортивных наук, 36(15), 1727-1733.
6. Ходдер, Р. В., Болл, К. А., и Серпиелло, Ф. Р. (2020). Критериальная валидность системы локального позиционирования Catapult ClearSky T6 для измерения межблочного расстояния. Sensors, 20(13), 3693.
7. R Core Team (2021). R: язык и среда для статистических вычислений. 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: Обработка сигналов. URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

→ Загрузите эту Белую книгу Vector T7, нажав здесь.