Un’analisi dettagliata delle diverse tecnologie VBT: validità scientifica e praticità

Per implementare I tuoi allenamenti con il VBT devi ridurre al minimo gli errori di misura!

Gli allenatori e gli atleti interessati a migliorare i propri allenamenti con il VBT spesso si chiedono quale strumento sia il più adatto alle loro esigenze. In questo blog, esplorerò questa domanda sia dalla prospettiva di ricercatore in Scienze dello Sport, sia come allenatore di Strength and Conditioning. 

Quando vidi per la prima volta un laboratorio di Motion Capture con 16 telecamere optoelettroniche, due cose mi colpirono. Primo, la capacità del sistema di integrare dati e produrre un’immagine dettagliata del gesto umano. Secondo, il costo. Pensai subito che il mio dipartimento non avrebbe mai speso 150.000 euro per la mia ricerca scientifica, figuriamoci per monitorare la velocità di spostamento dei bilancieri dei miei atleti.

Il sistema di motion capture basato su marker è considerato il gold standard per la misurazione del movimento umano in biomeccanica. Questo sistema sfrutta marker riflettenti posizionati su punti anatomici chiave per tracciare il movimento tridimensionale con estrema precisione. Sebbene sia un processo laborioso e soggetto a problemi di affidabilità intra e inter-tester, rimane il riferimento principale. Ad oggi, qualsiasi altro metodo o strumento di misurazione del movimento deve essere validato in confronto a questo sistema ¹.

Figura 1: Esempio schematico di un setting per il motion capture con telecamere optpelettroniche da: Weeks, B.K. et al (2012) ²

L’esperienza è l’accumulo di errori che non dovresti più ripetere: Dai Primi Encoder Lineari alle Unità di Misura Inerziali (IMU)

Il mio viaggio nel monitoraggio della velocità di spostamento dei carichi iniziò oltre 15 anni fa, quando, durante il mio dottorato di ricerca, utilizzai il mio primo encoder lineare. All’epoca, questi sensori richiedevano sistemi integrati per l’acquisizione e l’elaborazione del segnale. Un esempio ancora oggi in uso è il sistema Muscle Lab del Prof. Carmelo Bosco pioniere del metodo VBT (Bosco C. 1995) ³.

Figura 3: encoder lineare del sistema Muscle lab (anno 2000)

Cos’è un Encoder Lineare?

Un encoder lineare è composto da un filo, un trasduttore (che può essere un potenziometro o un sensore magnetico) e un’interfaccia analogica o digitale. Il filo viene collegato all’oggetto da monitorare, come un bilanciere. Quando l’oggetto si muove, il trasduttore si sposta lungo il filo, generando un segnale elettrico proporzionale alla posizione del filo. Questo segnale viene poi inviato all’interfaccia ed elaborato dal sistema di acquisizione e controllo (DAQ).

Come Calcola la Velocità?

L’encoder lineare rileva la posizione dell’oggetto a intervalli regolari di tempo, nell’ordine del centesimo di secondo (100Hz). Quindi calcola la differenza tra la posizione attuale e quella precedente e misura l’intervallo di tempo tra le due letture. La velocità viene quindi determinata dividendo il delta di posizione per l’intervallo di tempo. Semplice e preciso!

Questo sistema rimane uno dei più affidabili per misurare la velocità di spostamento del bilanciere durante movimenti lineari. Tuttavia, negli anni 2000, sistemi come il Muscle Lab, che integravano molteplici sensori, erano costosi, ingombranti e poco portatili.

L’Avvento degli Accelerometri

Come alternativa, apparvero i primi accelerometri, pensati per valutare i salti verticali (altezza e tempi di contatto) e monitorare la velocità di spostamento del carico. Il mio primo accelerometro fu il Myotest Pro, un piccolo dispositivo che prometteva un buon compromesso tra costo e validità della misura.

Inizialmente costituiti da accelerometri mono o triassiali, questi dispositivi furono rapidamente integrati con giroscopi e magnetometri per migliorare la precisione. Oggi, sono conosciuti come Unità di Misura Inerziali (IMU). Grazie alla sua dimensione ridotta, la IMU può essere integrata in device indossabili per analizzare il movimento dei segmenti del corpo umano. Questi dispositivi, ad oggi fanno parte della sensoristica indossabile e sono inclusi negli smartwatch, in braccialetti elettronici, fasce elastiche e molto altro.

Come Calcola la Velocità un’IMU?

Gli accelerometri nelle IMU misurano le forze di accelerazione in diverse direzioni (assi X, Y e Z). I dati grezzi dell’accelerazione spesso contengono rumore, quindi vengono applicati filtri passa-basso per rimuovere il rumore ad alta frequenza. La velocità viene calcolata integrando i dati dell’accelerazione nel tempo. In pratica, se conosci l’accelerazione e per quanto tempo, puoi determinare la velocità.

La Precisione delle IMU

Il principale svantaggio delle IMU è la loro tendenza ad accumulare errori nel tempo, noti come “deriva”. Poiché il dispositivo misura costantemente i cambiamenti relativi a sé stesso, senza triangolare con un dispositivo esterno assoluto, arrotonda continuamente piccole frazioni nei suoi calcoli. Questo arrotondamento può portare ad un accumulo di errori, specialmente considerando che molti sensori campionano ad alte frequenze (fino a 1000Hz). In un solo secondo, l’errore può accumularsi fino a mille volte, e senza correzioni, queste piccole imprecisioni possono trasformarsi in errori significativi.

Per questo motivo, le IMU richiedono protocolli di calibrazione complessi e frequenti. Senza tali protocolli, i dati raccolti non potrebbero essere utilizzati per misurazioni che necessitano di alta precisione, come la profilazione della curva forza-velocità 4.

Smartphone con Applicazioni Specifiche

Alcune app utilizzano la fotocamera del telefono per tracciare la velocità del movimento. Dopo aver riscontrato la variabilità dei dati con il Myotest, ho cercato soluzioni precise, portatili e a basso costo. Negli ultimi anni, molte app mobili sono diventate popolari nel monitoraggio delle prestazioni sportive, offrendo metodi economici e innovativi per raccogliere dati cinematici 5.

I sistemi di tracciamento video marker-less (senza marker) richiedono video ad alta definizione e software per tracciare pixel come marker virtuali, permettendo di acquisire movimenti complessi come lo squat, la panca piana o il deadlift. Per una buona analisi del movimento con uno smartphone, è generalmente consigliato utilizzare una frequenza di ripresa di almeno 120 fotogrammi al secondo (fps). Tuttavia, per analisi più dettagliate e precise, specialmente per movimenti rapidi, una frequenza più alta come 240 fps o 480 fps può essere utile. Queste innovazioni presentano ancora alcune sfide come la calibrazione e la gestione dei dati 6.

Principali Problematiche con le Applicazioni per Smartphone

Il metodo è sicuramente valido come dimostrato da recenti articoli scientifici. Tuttavia, la praticità è spesso compromessa per diversi motivi:

• È spesso necessaria una calibrazione in termini di misura dei segmenti articolari.
• Le riprese devono essere eseguite con un treppiede a una distanza di almeno 1,5 metri, richiedendo competenze da videomaker.
• Le palestre sono raramente vuote, il che rende difficile evitare interferenze da parte di altre persone.
• Uno strumento per il VBT deve fornire risultati in tempo reale. Purtroppo, le app richiedono ancora diversi passaggi prima di ottenere i risultati, limitando la praticità, soprattutto quando si allenano più atleti contemporaneamente.

Quale Strumento ad oggi risulta il più preciso e pratico?

Durante gli anni in cui ho utilizzato e testato i principali strumenti per l’implementazione del VBT negli allenamenti dei miei atleti, ho seguito con grande interesse l’evoluzione tecnologica di tutte le metodiche descritte sopra. Ad esempio, l’IMU hanno raggiunto livelli notevoli di precisione e praticità, oltre a costi piuttosto contenuti. Prima di tornare al mio encoder lineare, ho provato diversi dispositivi che, sebbene entusiasmanti per la capacità di monitorare molti movimenti complessi, mi hanno sempre lasciato un retrogusto amaro in termini di precisione dei dati, e a questa precisione non si può rinunciare! 

Recentemente diversi studi scientifici hanno misurato l’affidabilità e la validità di diversi strumenti e metodi per il monitoraggio dello spostamento dei carichi. Da non perdere è lo studio di Alejandro Pérez-Castilla et al 2019 7, il quale ha confrontato l’affidabilità e la validità di sette dispositivi disponibili in commercio per misurare la velocità di movimento durante l’esercizio di bench press.

Figure 3: From Pérez-Castilla, A. et al 2019. Distribution of the measurement devices during the testing protocol: (1) Trio-OptiTrack, (2) T-Force, (3) Chronojump, (4) Vitruve, (5) Velowin, (6) PowerLift, (7) PUSH band, and (8) Beast sensor.

I risultati di questo studio suggeriscono che gli encoder lineari, i sistemi optoelettronici basati su telecamera e le applicazioni per smartphone possono essere utilizzati per ottenere misurazioni accurate della velocità per movimenti lineari, mentre le unità di misura inerziali sono risultate meno affidabili e valide.

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Punti chiave dello studio

• I dispositivi sono stati classificati dal più al meno affidabile come segue: (I) VITRUVE (II) Velowin™, PowerLift™, T-Force™, Chronojump™ (III) fascia PUSH™ e (IV) sensore Beast™.
• Tutti i dispositivi hanno mostrato un’elevata validità concorrente* rispetto al sistema Trio-OptiTrack™, con l’unica eccezione del sensore Beast™.
• VITRUVE è stato l’unico dispositivo a non presentare errori di varianza** all’interno del campione.

*La validità concorrente si verifica quando i risultati di un nuovo strumento di misurazione sono simili a quelli di uno strumento già validato, confermando così l’efficacia e l’accuratezza del nuovo strumento.

** l’assenza di errori di varianza suggerisce che i risultati dello strumento sono coerenti e omogenei, senza grandi differenze tra le misurazioni nel campione, indicando che lo strumento è affidabile e produce misurazioni stabili e precise.

L’affidabilità e la riproducibilità non bastano!

Se è vero che un requisito fondamentale in questi dispositivi è l’affidabilità e la riproducibilità, queste non sono sufficienti per comprendere quale sia la scelta migliore da fare prima dell’acquisto. Infatti, dobbiamo valutare la praticità e I costi.

Quali sono I criteri di praticità?

Come abbiamo già anticipato, per essere pratico, un dispositivo deve essere piccolo e maneggevole, ma deve anche essere facile da usare, wireless, deve avere un software snello, intelligente e realizzato seguendo rigorosamente lo stato dell’arte nonché implementato tramite applicazione per smartphone o tablet. Deve essere in grado di gestire i dati in palestra con più atleti e differenti esercizi contemporaneamente, deve essere facile da aggiornare e deve permetterti di modificare possibili errori umani durante gli allenamenti (errore dell’inserimento di uno specifico carico o atleta) infine deve essere capace di dare feedback immediati e realistici.

Per ottenere il dispositivo migliore: Prezzo ottimale e qualità superiore

Di seguito riporto una tabella con una valutazione comprensiva di dispositivi per il monitoraggio della velocità di spostamento dei carichi validati scientificamente, riassumendo il tipo di tecnologia utilizzata la frequenza di campionamento il posizionamento del dispositivo, i costi, ed una valutazione di praticità basata sulla mia esperienza dei più comuni dispositivi in commercio. La tabella è ripresa da alcuni studi scientifici 8-10 ed implementata da me con una valutazione personale:

Table 1

Encoder rinnovati: Ritorno al futuro

È un po’ come se stessimo viaggiando all’indietro e allo stesso tempo ci proiettassimo nel futuro. Gli encoder, con la loro precisione e affidabilità, sono tornati ad essere la soluzione più performante. Grazie ai progressi tecnologici, sono stati miniaturizzati, integrati con l’intelligenza artificiale per le calibrazioni automatiche e collegati in modalità wireless per inviare dati in tempo reale.

Dagli albori degli encoder lineari e le sfide dei sistemi di motion capture, passando per l’avvento degli accelerometri e delle IMU, fino all’uso innovativo delle app per smartphone, ogni metodo ha contribuito alla comprensione e alla misurazione del movimento. Nonostante i progressi, l’esigenza di accuratezza, praticità ed economicità rimane fondamentale. Gli encoder oggi incarnano queste qualità, offrendo un mix di tecnologia all’avanguardia e affidabilità comprovata.

Sembra futuristico, ma è già a portata di mano. A voi la scelta!

References

1 Das, K., de Paula Oliveira, T. & Newell, J. Comparison of markerless and marker-based motion capture systems using 95% functional limits of agreement in a linear mixed-effects modelling framework. Sci Rep 13, 22880 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-49360-2

2 Weeks, B.K., Carty, C.P. & Horan, S.A. Kinematic predictors of single-leg squat performance: a comparison of experienced physiotherapists and student physiotherapists. BMC Musculoskelet Disord 13, 207 (2012).

3 Bosco C, Belli A, Astrua M, Tihanyi J, Pozzo R, Kellis S, Tsarpela O, Foti C, Manno R, Tranquilli C. A dynamometer for evaluation of dynamic muscle work. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1995;70(5):379-86. doi: 10.1007/BF00618487. PMID: 7671871 

4 Elodie Piche, Marine Guilbot, Frédéric Chorin, Olivier Guerin, Raphaël Zory, Pauline Gerus, Validity and repeatability of a new inertial measurement unit system for gait analysis on kinematic parameters: Comparison with an optoelectronic system, Measurement, Volume 198, 2022, 111442, ISSN 0263-2241,https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111442.

5 Onat Cetin, Ozkan Isik, Validity and   reliability   of   the My Lift   app   in determining   1RM   for   deadlift   and   back   squatexercises. European Journal of Human Movement Vol. 46 (2021): First Semester. EISSN: 2386-4095 DOI: https://doi.org/10.21134/eurjhm.2021.46.599

6 Peart DJ, Balsalobre-Fernández C, Shaw MP. Use of Mobile Applications to Collect Data in Sport, Health, and Exercise Science: A Narrative Review. J Strength Cond Res. 2019 Apr;33(4):1167-1177. doi: 10.1519/JSC.0000000000002344. PMID: 29176384.

7 Pérez-Castilla A, Piepoli A, Delgado-García G, Garrido-Blanca G, García-Ramos A. Reliability and Concurrent Validity of Seven Commercially Available Devices for the Assessment of Movement Velocity at Different Intensities During the Bench Press. J Strength Cond Res. 2019 May;33(5):1258-1265. doi: 10.1519/JSC.0000000000003118. PMID: 31034462.

8 Fritschi, R.; Seiler, J.; Gross, M. Validity and Effects of Placement of Velocity-Based Training Devices. Sports 2021, 9, 123. https://doi.org/10.3390/sports9090123

9 Weakley J, Morrison M, García-Ramos A, Johnston R, James L, Cole MH. The Validity and Reliability of Commercially Available Resistance Training Monitoring Devices: A Systematic Review. Sports Med. 2021 Mar;51(3):443-502. doi: 10.1007/s40279-020-01382-w. Epub 2021 Jan 21. PMID: 33475985; PMCID: PMC7900050.10 Weakley J, Chalkley D, Johnston R, García-Ramos A, Townshend A, Dorrell H, Pearson M, Morrison M, Cole M. Criterion Validity, and Interunit and Between-Day Reliability of the FLEX for Measuring Barbell Velocity During Commonly Used Resistance Training Exercises. J Strength Cond Res. 2020 Jun;34(6):1519-1524. doi: 10.1519/JSC.0000000000003592. PMID: 32459410.