Estudio del estado de fatiga en corredores de fondo a partir de patrones biomecánicos. Monitorización mediante sistemas integrados en el calzado

Abstract

Cada vez son más las personas que deciden iniciarse en la práctica de la carrera de fondo debido a los numerosos beneficios para la salud que supone la práctica de este deporte. No obstante, este aumento de aficionados también está suponiendo un incremento en la incidencia de lesiones, asociadas a sobreesfuerzos, errores de entrenamiento o a la elección de material deportivo inadecuado. Por este motivo, el mercado de calzado deportivo está explorando nuevos conceptos de calzado inteligente, en el que se incorporan dispositivos capaces de monitorizar variables biomecánicas o fisiológicas capaces de identificar situaciones de riesgo, que cubren aspectos como la fatiga, patrones de movimiento de riesgo, impactos, etc. Sin embargo, la simple monitorización de variables biomecánicas no asegura la eficacia de tales sistemas, si la tecnología no va acompañada de criterios objetivos y contrastados que permitan relacionar tales variables con el rendimiento o la prevención de lesiones. Uno de los aspectos más importantes en el rendimiento deportivo es la cuantificación del nivel de fatiga del atleta. En este sentido, mediante el uso de un calzado deportivo inteligente el deportista puede recibir información acerca de su estado, siendo posible ajustar el plan de entrenamiento. En este contexto, el objetivo principal de tesis fue la generación de criterios biomecánicos para la detección, en tiempo real, del estado de fatiga en corredores de fondo y desarrollar un sistema portable capaz de monitorizar el estado de fatiga, mediante el análisis de señales biomecánicas obtenidas por medio de un sensor inercial (IMUs) integrado en la media suela del calzado deportivo. Con este fin se ha puesto a punto y validado un sistema de medida basado en sensores inerciales integrados en el calzado. Los resultados obtenidos en la validación del sistema han mostrado su idoneidad para la medición de la orientación del pie durante la carrera. Adicionalmente, se ha realizado un estudio exploratorio con el fin de analizar las relaciones entre la cinemática del miembro inferior y la orientación del pie. Obteniéndose un modelo capaz de estimar las curvas de tobillo, rodilla y cadera a partir de la orientación del pie. Una vez validado el sistema, se ha caracterizado los patrones de movimiento durante la carrera mediante el calzado instrumentado y técnicas de análisis de datos funcionales en una muestra de 38 corredores. Finalmente, los resultados obtenidos indican que mediante la metodología empleada es posible detectar, predecir y monitorizar el estado de fatiga del corredor a partir, de las medidas obtenidas mediante IMUs sin alterar las propiedades del calzado ni interferir en la práctica del deporte.

Cada vegada són més les persones que decideixen iniciar-se en la pràctica de la carrera de fons a causa dels nombrosos beneficis per a la salut que suposa la pràctica d'aquest esport. No obstant això, aquest augment d'aficionats també està suposant un increment en la incidència de lesions, associades a sobreesforços, errors d'entrenament o a l'elecció de material esportiu inadequat. Per aquest motiu, el mercat de calçat esportiu està explorant nous conceptes de calçat intel·ligent, en què s'incorporen dispositius capaços de monitoritzar variables biomecàniques o fisiològiques capaços d'identificar situacions de risc, que cobreixen aspectes com la fatiga, patrons de moviment de risc, impactes, etc. No obstant això, la simple monitorització de variables biomecàniques no assegura l'eficàcia d'aquests sistemes, si la tecnologia no va acompanyada de criteris objectius i contrastats que permetin relacionar aquestes variables amb el rendiment o la prevenció de lesions. Un dels aspectes més importants en el rendiment esportiu és la quantificació del nivell de fatiga de l'atleta. En aquest sentit, mitjançant l'ús d'un calçat esportiu intel·ligent l'esportista pot rebre informació sobre el seu estat, sent possible ajustar el pla d'entrenament. En aquest context, l'objectiu principal de tesi va ser la generació de criteris biomecànics per a la detecció, en temps real, de l'estat de fatiga en corredors de fons i desenvolupar un sistema portable capaç de monitoritzar l'estat de fatiga, mitjançant l'anàlisi de senyals biomecàniques obtingudes per mitjà d'un sensor inercial (IMUs) integrat a la mitja sola del calçat esportiu. Amb aquesta finalitat s'ha posat a punt i validat un sistema de mesura basat en sensors inercials integrats en el calçat. Els resultats obtinguts en la validació del sistema han mostrat la seva idoneïtat per al mesurament de l'orientació del peu durant la carrera. Addicionalment, s'ha realitzat un estudi exploratori per tal d'analitzar les relacions entre la cinemàtica del membre inferior i l'orientació del peu. Obtenint-se un model capaç d'estimar les corbes de turmell, genoll i maluc a partir de l'orientació del peu. Un cop validat el sistema, s'ha caracteritzat els patrons de moviment durant l'carrera mitjançant el calçat instrumentat i tècniques d'anàlisi de dades funcionals en una mostra de 38 corredors. Finalment, els resultats obtinguts indiquen que mitjançant la metodologia emprada és possible detectar, predir i monitoritzar l'estat de fatiga del corredor a partir, de les mesures obtingudes mitjançant Imus sense alterar les propietats del calçat ni interferir en la pràctica de l'esport.

More and more people decide to start to practice long distance race because of the health benefits that this sport provides. However, the increase of runners is also increasing the incidence of injuries associated with overexertion, training errors or the choice of inappropriate sports equipment. For this reason, the sports footwear market is exploring new concepts of smart footwear that incorporates devices capable of monitoring biomechanical or physiological variables. These variables can help to identify risk of injuries related to fatigue, movement patterns or impacts among others. However, the simple monitoring of biomechanical variables does not ensure the effectiveness of such systems. Technology needs objective and contrasted criteria that allow relating such variables with the performance or prevention of injuries. One of the most important aspects in sports performance is the quantification of the level of fatigue of the athlete. Smart footwear can provide real-time information of the level of fatigue of the athlete, which can be used to adjust the training plan. In this context, the main objectives of this thesis were the generation of biomechanical criteria for the real-time detection of the level of fatigue in long-distance runners and the development of a portable system capable of monitoring the fatigue state, by analyzing biomechanical signals obtained by means of an inertial sensor (IMUs) integrated into the midsole of sports shoes. To this end, a non-invasive measurement system based on IMUs integrated in footwear was developed and validated. The results show the suitability of this instrumented footwear for measuring foot motion during running. Additionally, an exploratory study was conducted to analyze the relationships between lower limb kinematics and the foot motion during running. We obtained a model capable of estimating the ankle, knee and hip curves from the foot motion. Moreover, motion patterns during running were characterized by instrumented footwear and functional data analysis techniques in a sample of 38 runners. Finally, the results obtained show that the methodology proposed makes it possible to detect, predict and monitor the level of fatigue of the runner from IMUs measurements, which can be integrated into a running footwear without altering the properties of the footwear nor interfering in the sports practice.