Development of methodologies for measuring motor and cognitive performance in a clinical and sports environment
Author(s)
Molinaro, Luca
Date Issued
April 29, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
This PhD thesis is focused on the objectification of the health status of a subject both considering physical and cognitive aspects, which today represent a fundamental element in the experimental biomechanics applied in both sports and clinical fields.
Therefore, the purpose of this thesis is to propose new protocols for the assessment of motor and cognitive skills in sports, also focusing on innovative indices for the prediction of anterior cruciate ligament, as well the analysis of the reliability and repeatability of innovative technologies for clinical evaluation, especially considering the baropodometry and the rasterstereography for the postural analyses.
Through the aim of quantifying the effects of different karate techniques on motor performance, joint mobility, body stability and jumping ability were assessed analyzing twenty-four karatekas and eighteen non-karatekas healthy subjects. A single inertial sensor and optoelectronic bars data were used to acquired data during the execution of specific tasks. Karatekas showed better motor performance in terms of joint mobility, body stability and jumping ability than non-karatekas. Mobility outcomes reveal themselves as the most influenced by the specific karate techniques, especially when looking at shoulder and ankle joints. The greater ankle mobility of kata than kumite also leads to a better performance in jumping. Kata athletes are, finally, performing better than kumite athletes when monopodalic stability tests are executed with closed eyes. These findings can be useful for coaching program implementation addressed to both beginners and karatekas who want to reach elite level in a specific technique.
New predictive indices of the ACL injury have been sought, in the second part we implemented an observational study lasted one year with basketball players when performing monopodalic jump and single leg squat. Data gathered from experimental protocol were processed to obtain information associated with the leg stability, load absorption capability and leg mobility. We here demonstrated the good and excellent inter session reliability of some computed indices and we applied this methodology on data gathered from an athlete who suffered from ACL injury and successive reconstruction during the observational study. The outcomes of the present study led to the identification of reliable quantitative metrics that should be used as screening tools for both the assessment of athletes at higher injury risk and the evaluation of the rehabilitation program. through the aim to assess the feasibility to use machine-learning algorithm for the identification of basketball players associated with a higher risk of anterior cruciate ligament injury, we compared nine different classifiers fed with data related to leg stability, leg mobility and load absorption capability. Data were gathered from thirty-nine female basketball players when performing single leg countermovement jump and sing leg squat. Landing Error Scoring System was used to identify the athletes at higher risk injury and as supervisor for the machine-learning algorithms. Results reveal as support vector machine implemented with linear kernel allowed achieving the best performance in terms of accuracy, F1-score and goodness index. By analyzing the feature importance, the ellipse area and root mean square of the acceleration measured during the jump test, as well as the angle reached during the single leg squat, showed the greatest sensitivity to discriminate if an athlete is at risk injury. In addition, the ellipse area strongly correlated with the LESS score. The obtained findings permit to validate the use of artificial intelligence approach as a predictive tool for anterior cruciate ligament injury monitor.
The analysis of reliability and repeatability of the indices used in baropodometry shows from good to excellent intra-day and inter-day values of reliability and repeatability, regardless of the position of the feet used by the subject. The orthostatic position is generally the one associated with the best reliability and repeatability. The greatest differences in the data have substantially emerged between the SS position and the others, suggesting to compare data only if gathered with a standardized position of the feet. The second part aims at investigating the intra- and inter-day reliability of the Spine3D and to determine the capability of the system to discriminate among four different upright positions in order to simulate the validity of such system as tool for follow-up. The most of indices fell in the range of good or excellent reliability in both intra- and inter-day analysis. In addition, the proposed methodology seems to be able to discriminate different positions, showing modifications of proper parameters that are linked from an anatomical and physiological point of view with the artificial changes produced in each position.
As a conclusion, the Spine3D is a reliable tool able to discriminate different positions of the spine of the subject and it can be recommended as an easy and fast way to analyze the surface shape of the spine for follow-up in clinical settings
Questa tesi di dottorato è incentrata sull'oggettivazione dello stato di salute di un soggetto considerando sia gli aspetti fisici che cognitivi, che oggi rappresentano un elemento fondamentale nella biomeccanica sperimentale applicata sia in ambito sportivo che clinico.
Pertanto, lo scopo di questa tesi è quello di proporre nuovi protocolli per la valutazione delle capacità motorie e cognitive nello sport, concentrandosi anche su indici innovativi per la predizione del legamento crociato anteriore, nonché l'analisi dell'affidabilità e della ripetibilità di tecnologie innovative per la clinica valutazione, soprattutto considerando la baropodometria e la rasterstereografia per le analisi posturali.
Attraverso l'obiettivo di quantificare gli effetti delle diverse tecniche di karate sulle prestazioni motorie, la mobilità articolare, la stabilità corporea e la capacità di salto sono state valutate analizzando ventiquattro karateka e diciotto soggetti sani non karateka. Un unico sensore inerziale e dati da barre optoelettroniche sono stati utilizzati per acquisire i dati durante l'esecuzione di compiti specifici. I karateka hanno mostrato migliori prestazioni motorie in termini di mobilità articolare, stabilità del corpo e capacità di salto rispetto ai non karateka. I risultati della mobilità si rivelano i più influenzati dalle tecniche specifiche del karate, specialmente quando si osservano le articolazioni della spalla e della caviglia. La maggiore mobilità della caviglia del kata rispetto al kumite porta anche a una migliore performance nel salto. Gli atleti di kata, infine, si comportano meglio degli atleti di kumite quando i test di stabilità monopodalica vengono eseguiti ad occhi chiusi. Questi risultati possono essere utili per l'implementazione del programma di coaching rivolto sia ai principianti che ai karateka che vogliono raggiungere il livello d'élite in una tecnica specifica.
Sono stati ricercati nuovi indici predittivi dell'infortunio del LCA, nella seconda parte abbiamo implementato uno studio osservazionale durato un anno con giocatori di basket durante l'esecuzione di salto monopodalico e squat a gamba singola. I dati raccolti dal protocollo sperimentale sono stati elaborati per ottenere informazioni associate alla stabilità delle gambe, alla capacità di assorbimento del carico e alla mobilità delle gambe. Abbiamo qui dimostrato la buona ed eccellente affidabilità inter-sessione di alcuni indici calcolati e abbiamo applicato questa metodologia sui dati raccolti da un atleta che ha subito un infortunio al LCA e successiva ricostruzione durante lo studio osservazionale. I risultati del presente studio hanno portato all'identificazione di metriche quantitative affidabili che dovrebbero essere utilizzate come strumenti di screening sia per la valutazione degli atleti a più alto rischio di infortunio che per la valutazione del programma riabilitativo. attraverso l'obiettivo di valutare la fattibilità dell'utilizzo dell'algoritmo di apprendimento automatico per l'identificazione di giocatori di basket associati a un rischio maggiore di lesione del legamento crociato anteriore, abbiamo confrontato nove diversi classificatori alimentati con dati relativi alla stabilità delle gambe, alla mobilità delle gambe e alla capacità di assorbimento del carico. I dati sono stati raccolti da trentanove giocatrici di basket durante l'esecuzione di salti con contromovimento di una gamba e squat con le gambe cantate. Il Landing Error Scoring System è stato utilizzato per identificare gli atleti a più alto rischio di infortunio e come supervisore per gli algoritmi di apprendimento automatico. I risultati rivelano come la macchina vettoriale di supporto implementata con kernel lineare abbia permesso di ottenere le migliori prestazioni in termini di precisione, punteggio F1 e indice di bontà. Analizzando l'importanza della caratteristica, l'area dell'ellisse e il quadrato medio della radice dell'accelerazione misurata durante il test di salto, così come l'angolo raggiunto durante il single leg squat, hanno mostrato la maggiore sensibilità per discriminare se un
atleta è a rischio infortunio. Inoltre, l'area dell'ellisse era fortemente correlata al punteggio LESS. I risultati ottenuti consentono di validare l'uso dell'approccio dell'intelligenza artificiale come strumento predittivo per il monitoraggio delle lesioni del legamento crociato anteriore.
L'analisi di affidabilità e ripetibilità degli indici utilizzati in baropodometria mostra valori di affidabilità e ripetibilità intragiornalieri e intergiornalieri da buoni a ottimi, indipendentemente dalla posizione dei piedi utilizzata dal soggetto. La posizione ortostatica è generalmente quella associata alla migliore affidabilità e ripetibilità. Le maggiori differenze nei dati sono sostanzialmente emerse tra la posizione delle SS e le altre, suggerendo di confrontare i dati solo se raccolti con una posizione standardizzata dei piedi. La seconda parte ha lo scopo di indagare l'affidabilità intra e inter-giornaliera di Spine3D e di determinare la capacità del sistema di discriminare tra quattro diverse posizioni verticali al fine di simulare la validità di tale sistema come strumento di follow-up. La maggior parte degli indici è scesa nell'intervallo di affidabilità buona o eccellente sia nell'analisi infragiornaliera che infragiornaliera. Inoltre, la metodologia proposta sembra essere in grado di discriminare diverse posizioni, mostrando modificazioni di parametri propri che sono legati da un punto di vista anatomico e fisiologico con i cambiamenti artificiali prodotti in ciascuna posizione.
In conclusione, Spine3D è uno strumento affidabile in grado di discriminare diverse posizioni della colonna vertebrale del soggetto e può essere consigliato come un modo semplice e veloce per analizzare la forma della superficie della colonna vertebrale per il follow-up in ambito clinico
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Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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