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

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.Programa Marco de la Unión Europea por la financiación del proyecto europeo Runsafer (FP7-SME-2011-1)Medina Ripoll, EJ. (2018). Estudio del estado de fatiga en corredores de fondo a partir de patrones biomecánicos. Monitorización mediante sistemas integrados en el calzado [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113078TESI

A Deep Learning Model for Markerless Pose Estimation Based on Keypoint Augmentation: What Factors Influence Errors in Biomechanical Applications?

[EN] In biomechanics, movement is typically recorded by tracking the trajectories of anatomical landmarks previously marked using passive instrumentation, which entails several inconveniences. To overcome these disadvantages, researchers are exploring different markerless methods, such as pose estimation networks, to capture movement with equivalent accuracy to marker-based photogrammetry. However, pose estimation models usually only provide joint centers, which are incomplete data for calculating joint angles in all anatomical axes. Recently, marker augmentation models based on deep learning have emerged. These models transform pose estimation data into complete anatomical data. Building on this concept, this study presents three marker augmentation models of varying complexity that were compared to a photogrammetry system. The errors in anatomical landmark positions and the derived joint angles were calculated, and a statistical analysis of the errors was performed to identify the factors that most influence their magnitude. The proposed Transformer model improved upon the errors reported in the literature, yielding position errors of less than 1.5 cm for anatomical landmarks and 4.4 degrees for all seven movements evaluated. Anthropometric data did not influence the errors, while anatomical landmarks and movement influenced position errors, and model, rotation axis, and movement influenced joint angle errors.Research activity supported by Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) and Valencian Regional Government (GVA), IMAMCA/2024; and project IMDEEA/2024, funding requested to Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE), call for proposals 2024, for Technology Centers of the Valencian Region, funded by European Union.Ruescas Nicolau, AV.; Medina Ripoll, E.; De Rosario Martínez, H.; Sanchiz Navarro, J.; Parrilla Bernabé, E.; Juan, M. (2024). A Deep Learning Model for Markerless Pose Estimation Based on Keypoint Augmentation: What Factors Influence Errors in Biomechanical Applications?. Sensors. 24(6). https://doi.org/10.3390/s2406192324

ABE® system: healthy sport performance

[EN] ABE¿ System is a new prescription system of physical activity aimed at an audience looking for a fun and easy alternative to the time of practicing physical exercise. The creators of ABE¿ System have decided to provide scientific rigor to the qualities of that system. Therefore, together with IBV, it has been carried out a study where we have analyzed the physiological and mechanical properties resulting from the practice of a particular physical routine on a basic component of the system: the ABE¿ platform. The main results are positive and encouraging to continue in the study of ABE¿ System and its impact on the quality of physical activity for their users.[ES] El Sistema ABE¿ es un nuevo sistema de prescripción de actividad física dirigido a un público que busca una alternativa lúdica y sencilla a la hora de la práctica de ejercicio físico. Los creadores del Sistema han decidido valorar desde una perspectiva científica el sistema. Por ello, junto con el Instituto de Biomecánica (IBV), se ha realizado un estudio para analizar las propiedades mecánicas y fisiológicas derivadas de la práctica de una determinada rutina física sobre un componente básico de dicho sistema: la plataforma ABE¿. Los principales resultados obtenidos resultan positivos y animan a dar continuidad en el estudio del Sistema ABE¿ y su repercusión en la calidad de la actividad física de sus usuarios.Pitarch Corresa, S.; Medina Ripoll, E.; Vivas Broseta, MJ.; Alcantara Alcover, E.; Garcia Molina, C.; Magraner Llavador, L.; Garrido Jaen, JD.... (2013). El Sistema ABE®: práctica deportiva saludable. Revista de biomecánica. 60:14-17. http://hdl.handle.net/10251/38659S14176

NedCodo/IBV, haciendo fácil y objetiva la valoración biomecánica del codo

[ES] NedCodo/IBV es una aplicación software desarrollada por el Instituto de Biomecánica (IBV) para asistir al profesional en la evaluación funcional del codo, destacando su utilidad en el estudio de patologías complejas como la epicondilosis o epicondilitis lateral. Se trata de un producto sanitario Clase I, especialmente diseñado para ofrecer resultados objetivos y no manipulables de la función del codo de una forma ágil y sencilla. Los resultados se comparan con bases de datos para facilitar la interpretación y toma de decisiones relacionadas con el manejo terapéutico y la reintegración laboralHerrera-Ligero, C.; Medina Ripoll, E.; Martínez-Iranzo, U.; Pitarch Corresa, S.; Bermejo Bosch, I.; Andrade Celdrán, J.; Lopez Pascual, J. (2020). NedCodo/IBV, haciendo fácil y objetiva la valoración biomecánica del codo. Revista de Biomecánica (Online). (67):1-7. http://hdl.handle.net/10251/176119S176

Utilidad clínica de NedAMHPlus/IBV en la valoración de la marcha. A propósito de un caso

[ES] NedAMHPlus/IBV es una aplicación software diseñada por el Instituto de Biomecánica (IBV) para ayudar al profesional clínico a realizar un análisis objetivo de la marcha de una forma sencilla, rápida y, lo que es fundamental, fácilmente interpretable ya que se centra en detectar y cuantificar los principales déficits dinámicos y cinemáticos de la misma. A través de un caso clínico se muestra la utilidad de esta aplicación en el proceso de interpretación y decisión terapéutica guiado por los resultados obtenidos con esta prueba.Peydro De Moya, MF.; Bermejo Bosch, I.; Herrera-Ligero, C.; Medina Ripoll, E.; Guerrero Ramos, D.; Andrade Celdrán, J.; Lopez Pascual, J. (2021). Utilidad clínica de NedAMHPlus/IBV en la valoración de la marcha. A propósito de un caso. Revista de Biomecánica (Online). (68):1-6. http://hdl.handle.net/10251/187405166

Kinescan/IBV V11: Biomechanical assessment in real time

[EN] Experts in biomechanical assessment are very interested in increasing precision of the measurements, reducing the needed time for evaluating patients and giving more flexibility to their labs. Therefore, we developed a new version of our system for kinematic analysis of human movement: Kinescan/IBV V11. Kinescan/IBV V11 is based in digital video technology and is able to make a distributed pre-processing. So it can analyse automatically movements in real time and use an unlimited number of cameras. The labs of functional assessment can reduce their costs, reduce their needed time for the assessment and increase their precision and reliability.[ES] El interés de los expertos en valoración biomecánica por incrementar la precisión de las medidas, reducir los tiempos de valoración y dotar de mayor flexibilidad a sus laboratorios es cada vez más creciente. Por esos motivos, hemos desarrollado una nueva versión de nuestro sistema de análisis cinemático de los movimientos humanos: Kinescan/IBV V11. Kinescan V11 es un sistema basado en tecnología vídeo digital con preprocesado distribuido que permite, entre otras características, analizar los movimientos en tiempo real y de forma automática y utilizar cuantas cámaras sean necesarias. Gracias a esta tecnología, los laboratorios de valoración funcional del IBV podrán reducir sus costes de operación, reducir los tiempos de valoración e incrementar su precisión y fiabilidad.Montero Vilela, J.; Parra Gonzalez, F.; Parrilla Bernabé, E.; Medina Ripoll, E.; Lopez Pascual, J.; Moreno Cano, R.; Castelli., A.... (2013). Kinescan/IBV v11: Valoración biomecánica en tiempo real. Revista de biomecánica. 59:35-38. http://hdl.handle.net/10251/38676S35385

Biomechanical analysis of The North Face new running footwear

[EN] Nowadays, one of the most popular sports is running. The footwear is the basic component for running, having a big influence in the sport performance and injury prevention. When a runner selects a pair of running shoes analyzes carefully the features of the diverse models commercialized before buying the ones that best fits his or her needs. The North Face has counted on IBV to analyze the biomechanical behavior of different running footwear models.[ES] Uno de los deportes más populares en la actualidad es la carrera, también conocida por su término anglosajón running. El calzado es un componente básico para la práctica del running, teniendo una gran influencia en el rendimiento y la prevención de lesiones. Cuando un corredor selecciona su calzado analiza al detalle las prestaciones de los distintos modelos para adquirir el que mejor se adapte a sus necesidades. THE NORTH FACE ha contado con los servicios del IBV para analizar el comportamiento biomecánico de diferentes modelos de zapatillas de running.Puigcerver Palau, SA.; Gonzalez Garcia, JC.; Piqueras Fiszman, P.; Medina Ripoll, E.; Ballester Fernandez, A.; Fayos Sancho, J.; Solves Camallonga, C.... (2013). Biomecánica aplicada al nuevo calzado de running de The North Face. Revista de biomecánica. 59:23-26. http://hdl.handle.net/10251/38640S23265

Improving the users' balance with video-games

[EN] In recent years, the computer and video-games industry has created new home-based, low-cost technologies for capturing human movements, which make the combination of video-games and biomechanical analysis a feasible reality. The iStoppFalls project takes advantage of this opportunity for assessing the risk of falling and improve the users¿ balance during their interaction with exercise games. One of the challenges is achieving measures of enough quality, from a system that is originally designed for capturing gross movements. This problem is solved by a redefinition of the measurement protocols, plus advanced analysis of the variables captured by the videogame sensors, in order to reduce the distance between required and achieved precision. Validated fall risk assessment criteria have been adapted to exercises that can be made at home, without supervision or additional instrumentation. A skeleton model with 22 degrees of freedom has been tracked by Kinect, with joint angles corrected by a particle filter.[ES] En los últimos años, la industria Mejorar el equilibrio con videojuegos informática y de videojuegos ha creado nuevas tecnologías domésticas y de bajo coste para la captura de movimientos humanos, lo cual abre nuevas posibilidades de combinar videojuegos y análisis biomecánicos. El proyecto iStoppFalls, financiado por el 7º Programa Marco de la Unión Europea, aprovecha esta oportunidad para evaluar el riesgo de caídas durante la interacción de los usuarios al realizar ejercicios en videojuegos y llevar a cabo programas de entrenamiento para mejorar el equilibrio. Uno de los retos consiste en conseguir medidas de suficiente calidad, a partir de un sistema originalmente diseñado para capturar movimientos poco precisos. Este problema se resuelve redefiniendo los protocolos de medida y realizando un análisis avanzado de las variables capturadas por los sensores de los videojuegos. Para ello se han adaptado criterios validados de evaluación del riesgo de caída, convirtiéndolos en ejercicios y juegos que pueden realizarse en el hogar, sin supervisión ni instrumentación. El movimiento realizado durante estos ejercicios se monitoriza a través del sensor Kinect de Microsoft, utilizando un modelo esquelético de 22 grados de libertad, con ángulos articulares corregidos mediante un filtro de partículas.iStoppFalls (FP7-ICT-2011-7- 287361) es un proyecto financiado por el 7º Programa Marco de la Unión Europea.De Rosario Martínez, H.; Avila Carrasco, C.; Fos Ros, F.; Medina Ripoll, E.; Castellanos Hernández, WE.; Bollain Pastor, C.; Poveda Puente, R.... (2013). Mejorar el equilibrio con videojuegos. Revista de biomecánica. 59:31-34. http://hdl.handle.net/10251/38684S31345

Runalytics, 3D gait analysis system

[EN] Nowadays running is one of the most popular sports, which has fostered the development of its technology, both in the materials used and in their selection. Footwear is the basic component for the practice of running, as well as the most important one due to its ability to adapt to each runner through the proper choice. Such was the case that nowadays there is a lack of substance in the methods used for counseling. Runalytics is created with the idea of analyzing in detail the biomechanical characteristics each runner, based on an exhaustive research study to facilitate the choice of footwear that best suits the needs of each runner.[ES] Actualmente el running es uno de los deportes más practicados, lo que ha fomentado el desarrollo de su tecnología, tanto en los materiales utilizados como en su elección. El calzado es el componente básico para la práctica de la carrera, siendo además el más importante por su capacidad de adaptación a cada corredor mediante una correcta elección del mismo. Tanto es así que actualmente se plantea una falta de métodos precisos y robustos para el asesoramiento en la selección del mejor calzado de running para un usuario específico. Runalytics nace con la idea de analizar al detalle las características biomecánicas de cada corredor a partir de criterios validados en un exhaustivo estudio de investigación con la finalidad de facilitar la elección del calzado que mejor se adapte a las necesidades de cada deportista.Medina Ripoll, E.; Parrilla Bernabé, E.; Romero Olucha, E.; Montero Vilela, J.; Parra Gonzalez, F.; Gonzalez Garcia, JC.; Gil Mora, S.... (2013). Runalytics, sistema de análisis 3D de la pisada. Revista de biomecánica. 60:21-24. http://hdl.handle.net/10251/38696S21246

Seis ediciones y 220 alumnos en el Máster en Valoración Biomecánica Clínica de la UPV: claves de su éxito en España y Latinonamérica

[ES] El Máster en Valoración Biomecánica Clínica surgió en 2014 como resultado de la colaboración entre la Universitat Politècnica de Valencia (UPV) y el Instituto de Biomecánica (IBV). Seis ediciones y 220 alumnos después echamos la vista atrás reflexionando y valorando los aspectos que han hecho posible mantenernos como referentes en formación biomecánica de calidad tanto a nivel nacional como internacional.Maranchon Perez, S.; Vivas Broseta, MJ.; Garrido Jaen, JD.; Peydro De Moya, MF.; Herrera-Ligero, C.; Pitarch Corresa, S.; Medina Ripoll, E.... (2020). Seis ediciones y 220 alumnos en el Máster en Valoración Biomecánica Clínica de la UPV: claves de su éxito en España y Latinonamérica. Revista de Biomecánica (Online). (67):1-6. http://hdl.handle.net/10251/176113S166