Protocolos para la evaluación biomecánico-técnica y la prevención de lesiones musculo-esqueléticas, en deportistas de raqueta

Abstract

A pesar de que existen numerosos trabajos científicos que muestran un protocolo de pruebas de condición física, de técnica o de salud para jugadores de tenis y otros deportes de raqueta generalmente estos protocolos presentan una serie de inconvenientes como por ejemplo: I) las pruebas incluidas en ellos muchas veces no son específicas (no simulan las acciones reales de juego); II) se centran solo en evaluar la condición física, dejando de lado el estudio biomecánico/técnico y el análisis del riesgo de lesión musculoesquelética; III) se basan en instrumentos caros y de difícil manejo, no asequibles para los entrenadores y deportistas o para clínicas de salud que disponen de un bajo presupuesto o que no disponen de tiempo para aprender a utilizarlos. El objetivo de la presente tesis es desarrollar y evaluar una serie de test y herramientas de diagnóstico orientados a los deportes de raqueta que midan diferentes variables relacionadas con el rendimiento, la técnica deportiva, y la prevención de lesiones músculo-esqueléticas. Por otro lado, se generarán bases de datos de test que se han utilizado de manera recurrente en la literatura, que sirvan de referencia para futuros estudios. Algunos de los test que más se repiten en la bibliografía científica de los deportes de raqueta son: • Bloque de condición física: pruebas de velocidad y agilidad específica, test de lanzamiento de balón medicinal, test de fuerza de prensión manual, saltos CMJ y RCMJ, test de esprints repetidos. • Bloque de análisis biomecánico/técnico: test de golpeo de tenis (técnico) en el que se miden variables de precisión y potencia; test de golpeo de tenis (resistencia específica), en el que se relaciona la fatiga global con la precisión y potencia de golpeo; test de golpeo de pádel. • Bloque orientado a la prevención de lesiones musculoesqueléticas. Análisis de la composición corporal, evaluación antropométrica o evaluación de los apoyos mediante plataformas de fuerzas o presiones. Las herramientas y protocolos de evaluación que se muestran en esta tesis doctoral son asequibles para todos aquellos especialistas que deseen utilizarlos y están destinados sobre todo a entrenadores, deportistas y clínicas de salud con un presupuesto limitado, aunque también para científicos cuyo objeto de estudio sean los deportes de raqueta y que realicen estudios de campo. Se muestran además una serie de resultados derivados de la aplicación de los test en diferentes muestras de deportistas de raqueta. Los resultados más llamativos se mencionan a continuación, dividiéndolos en los tres bloques de evaluación propuestos: Los resultados y hallazgos más llamativos en el bloque de condición física son: Se muestran los resultados de jóvenes jugadores de pádel en varias pruebas de condición física, seleccionadas basándose en la literatura científica. Además de pruebas de salto, velocidad, fuerza, resistencia de la zona core, se incluye una prueba de agilidad específica para deportes con frecuentes cambios de dirección, como es el caso del pádel. La información derivada de estas pruebas, podría servir de referencia para futuros estudios, teniendo en cuenta la escasez de datos en padelistas jóvenes de nivel competitivo. Los resultados fueron peores que los descritos para tenistas de la misma edad y de un nivel competitivo similar, en la prueba de fuerza de prensión manual, en la prueba de velocidad y en la de saltos. • En tenistas amateurs que realizaron una prueba de golpeo en pista se halló una correlación moderada entre la potencia global (medida con el lanzamiento lateral de balón medicinal) y la potencia/precisión de golpeo. En concreto la distancia del lanzamiento se correlacionó de manera positiva con la velocidad de la derecha más rápida (r = 0.52; p < 0.025) y con la precisión del revés (r [% de buenos reveses] = 0.49, p < 0.025). Teniendo en cuenta que las correlaciones fueron moderadas, si se desea mejorar el rendimiento de golpeo en jugadores con un tiempo de entrenamiento limitado (p. ej. en jugadores amateurs) es recomendable dedicar más tiempo a la preparación técnica que a la preparación física. • En la presente tesis se muestra una metodología de cronometraje del esprint de ida y vuelta más precisa que un cronometrador humano, con un error sistemático de aproximadamente 0.04 segundos (el error humano oscila entre 0.20 y 0.30 segundos en esprints lineales). La metodología mostrada tan solo requiere del uso de un teléfono inteligente y de una aplicación móvil de bajo coste. Podría adaptarse para ser usada en un test de esprines repetidos, prueba muy frecuente en los protocolos de evaluación de la condición física de deportes de raqueta. Los resultados más destacables en el bloque de análisis biomecánico son: • El error en el tenis se distribuye en forma de elipse de confianza elongada en dirección a la línea de fondo. Esto podría explicarse por la teoría de la ventana óptima de lanzamiento, según la cual existe un momento óptimo de liberación del proyectil que permitirá alcanzar la mayor precisión. Haciendo una analogía de esta teoría en el caso de los deportes de raqueta, hablaríamos de momento óptimo de impacto. En el caso del pádel también se observa un error mayor en el sentido longitudinal que en la dirección lateral. Todo esto sugiere que se debería dedicar más tiempo a entrenar la profundidad de golpeo que la precisión medio-lateral. La comparación entre el golpeo de derecha y el golpeo de revés mostró que a derecha presentaba una mayor velocidad de la pelota (~107.2 vs. ~97.3 m/s; p < 0.001), una menor distancia longitudinal del centro de la elipse al centro de la diana (~123.3 vs. ~164.0 cm; p = 0.024) y una menor área (~34.4 vs. ~40.3 m2; p = 0.045). En el caso del pádel el golpeo que mostró la mayor magnitud del error fue el revés de fondo con pared. La derecha de fondo y la volea de derecha mostraron los mejores valores de precisión. En esta sección de la tesis se propone una prueba de golpeo asociada a una hoja de cálculo elaborada en Excel para estudiar con detalle la precisión de los golpeos de fondo de tenis (magnitud y forma del error). • En la presente tesis se muestra una herramienta de Microsoft Excel para evaluar la cinemática 3D de golpeo. Dicha hoja es fácil de usar y no requiere de un conocimiento avanzado de biomecánica o programación. Alguna de las variables que proporciona de manera semiautomática son la trayectoria de la raqueta y variables derivadas (p. ej. la altura de golpeo o el ángulo de la trayectoria de la raqueta), la velocidad y aceleración de la raqueta, la velocidad de la pelota antes y después del impacto y variables de tipo temporal (como por ejemplo el momento en el que se produce el pico de velocidad vertical de la raqueta). También se muestra una variante de dicha plantilla de análisis en 2D, más sencilla de usar (solo requiere de una cámara y la metodología de calibración es más sencilla). • Los giróscopos de los IMUs son una herramienta válida para evaluar la cinemática angular de golpeo, con diferencias pequeñas respecto a los sistemas de captura de movimiento basados en fotogrametría 3D, que tradicionalmente se han considerado como el método de referencia. Los valores de correlación y de concordancia fueron altos (oscilaron entre 0.951 y 0.993). La magnitud de las diferencias varió entre 4.4 y 35.4 grados/s (en porcentaje relativo a los máximos el error fue menor de un 5%). Basándose en los datos de trabajos previos en tenistas podemos decir que este error es lo suficientemente bajo para detectar diferencias tanto en estudios que realizan comparaciones entre sujetos como en estudios intra sujeto (o de medidas repetidas). Teniendo en cuenta todo esto podemos decir que los giróscopos IMU pueden ser considerados como una alternativa a los sistemas fotogramétricos 3D para evaluar los golpeos en situación de campo. • Los giróscopos de los IMUs permiten predecir la velocidad de golpeo de la derecha, revés y saque. Los valores r de Pearson parciales estuvieron por encima de 0.9 en el eje x del sensor del tronco y sobre los ejes yz del sensor del antebrazo. El modelo de regresión lineal múltiple mejoró los valores de las correlaciones parciales. Además, estos dispositivos podrían permitir el análisis de la participación de cada segmento corporal en la cadena cinética. Se deben realizar estudios que relacionen los movimientos anatómicos (p. ej., la abducción horizontal del hombro) con la velocidad angular de los sensores/ejes colocados en diferentes segmentos (p. ej., velocidad angular del sensor del brazo sobre su eje x). • La derecha y el revés mostraron una mayor variabilidad motora que el primer y el segundo saque, lo que podría indicar que son golpeos con una mayor complejidad coordinativa. Los mayores valores de varianza se dieron en la derecha en el sensor del antebrazo sobre su eje x y sobre su eje z, y en el sensor de la cabeza sobre su eje z (fueron de 22.7 %, 21.5 % y 25.4 %). Hacen falta más estudios que analicen las fuentes de variabilidad y sus efectos sobre el rendimiento/aprendizaje. En el bloque de salud musculoesquelético los resultados más destacables fueron: • El pádel, al igual que otros deportes de raqueta es un deporte asimétrico a nivel de los miembros superiores. Hubo mayores asimetrías de masa magra que en un grupo control de esquiadores (7.2 ± 5 % vs. 1.4 ± 3.2 %; p < 0.001 para el total de la muestra) tanto en jugadores con un estado de madurez negativo (5.7 ± 3.2 % vs. 1.5 ± 3.8 %; p < 0.001), como en aquellos con un estado de madurez positivo (8.3 ± 5.8 % vs. 1.3 ± 2.4 %; p < 0.001). En el caso de la fuerza de prensión manual también existieron diferencias significativas entre ambos grupos. La asimetría fue de 22.1 ± 13.2 % en el caso de los padelistas (en el grupo sub-12 fue de 19.3 ± 14.8 %) y de 2.6 ± 13.3 % en los esquiadores (en el grupo sub-12 fue de 1.8 ± 16.9 %) siendo el tamaño del efecto grande (> 1) en todos los casos. Estos datos muestran que el desarrollo de las asimetrías en padelistas se produce incluso antes de la edad de crecimiento pico en altura. Por ello se sugiere que, desde el inicio de la práctica deportiva, el pádel se complemente con otras actividades de naturaleza simétrica. • Se presenta una metodología low-cost para analizar la postura corporal en 3D, basada en un instrumento de calibración portable. Además, permite medir el error cometido en la unidad de medida real, algo que creemos que es fundamental en este tipo de estudios. Esta metodología se fundamenta en unas plantillas de Excel de fácil manejo, que podrían ser utilizadas por médicos y fisioterapeutas. El error de la medida del sistema propuesto fue de aproximadamente 2 mm y de entre 1 y 2 grados, usando como referencia un sistema fotogramétrico 3D de alta precisión. • Al igual que ocurre en la carrera y la marcha, en las acciones de juego de tenis se ponen en juego una serie de mecanismos biomecánicos de atenuación de los picos de impacto en la columna que evitan que los picos de impacto en la cabeza sean demasiado altos (y así proteger los reflejos vestibulares). Aunque no se apreció un mecanismo de atenuación evidente entre la parte baja de la columna y la parte alta si existió una atenuación clara entre la parte alta de la columna y el cuello (la magnitud de los picos fue de ~ 25 m/s2 y ~ 20 m/s2 respectivamente; p < 0.05; con porcentajes de atenuación por encima del 15% en casi todos los jugadores). Futuros trabajos deben analizar los mecanismos biomecánicos que permiten que se produzca dicha atenuación.

Despite the fact that there are numerous studies aimed at designing a test protocol for tennis players and other racket sports, from our point of view these protocols have some disadvantages: I) the tests included in them are often not completely specific (they do not simulate the real actions of the game); II) they focus mainly on aspects of physical condition and a comprehensive protocol must also include biomechanical/technical aspects and aspects related to the risk of musculoskeletal injury; III) they are based on expensive and difficult to use instruments, not affordable for coaches and athletes or for health clinics that have a low budget or do not have time to learn how to use them.. Therefore, the objective of this thesis is to design, implement and validate comprehensive protocols oriented to racket sports that evaluates different variables related to performance, sports technique, and prevention of musculoskeletal injuries. On the other hand, databases of tests used repeatedly in the literature will be generated. This could serve as a reference for future studies. Some of these tests are: • Physical condition block: specific speed and agility tests, medicine ball throwing test, manual grip strength test, CMJ and RCMJ jumps, repeated sprint test. • Biomechanical/technical analysis block: tennis hitting test (technical) in which variables of precision and power are measured, tennis hitting test (specific endurance), in which global fatigue is related to the accuracy and power of the strokes. • Block aimed at preventing musculoskeletal injuries. Analysis of the body composition by means of bioimpedance, anthropometric analysis and evaluation of the running mechanics with force platform and pressure sensors. In this thesis, evaluation tools and protocols are designed for racquet sports, affordable for coaches, athletes and health clinics with a limited budget. A series of results derived from the application of the tests in different samples of racket athletes are also shown. The most interesting results are mentioned below, dividing them by blocks: The most interesting results in the physical condition block are: • The results of young paddle tennis players in a series of physical condition tests are shown, which could be used as a reference for future studies. The results were worse than those described in literature for tennis players of the same age and of a similar competitive level both in speed and jumping ability as well as hand grip strength. There is a moderate correlation between global power (measured with the lateral medicine ball throw) and hitting power / precision. Specifically, it was positively correlated with faster forehand speed (r = 0.52; p <0.025) and with the accuracy of the backhand (r = 0.49; p <0.025 with the % of good shots). In order to improve hitting performance in players with a limited training time (as is the case of amateur players) it is advisable to spend more time on technical preparation than on physical preparation. • This thesis shows a methodology for timing the shuttle run sprint more accurate than a human timekeeper. The systematic error of measurement was of approximately 0.04 seconds (in previous studies it is estimated that human error is between 0.20 and 0.30 seconds). The methodology shown only requires the use of a smartphone and low-cost apps. In the biomechanical / technical analysis block the most interesting results are: • The error in tennis is distributed in the form of an elongated confidence ellipse in the direction of the baseline. This could be explained by the theory of the optimal launch window, which, making an analogy with hitting, indicates that there is an optimal hitting moment where the highest precision will be achieved. In the case of paddle tennis, a greater error is also observed in the longitudinal direction than in the lateral direction. All of this suggests that more time should be spent training the accuracy of the depth of strokes. The comparison between the forehand stroke and the backhand stroke showed that with the forehand the players reach greater speed of the ball (~ 107.2 vs. ~ 97.3 m/s; p <0.001), had a lower longitudinal distance from the centre of the ellipse (~ 123.3 vs. ~ 164.0 cm; p = 0.024) and a smaller area (~ 34.4 vs. ~ 40.3 m2; p = 0.045). The hit that showed the greatest error was the backhand with the wall. The forehand performed from the baseline and the forehand volley showed the best accuracy values. Also, a hitting test associated with an Excel spreadsheet is proposed to study in detail the accuracy of tennis groundstrokes (magnitude and form of the error). • In this thesis a Microsoft Excel tool is shown to evaluate the 3D kinematics of hitting. This sheet is easy to use and does not require advanced knowledge of biomechanics or programming. Some of the variables it provides are the trajectory of the racket and derived variables (e.g., the height of the ball impact or the angle of the racket trajectory and the horizontal), the speed and acceleration of the racket, the speed of the ball before and after impact and temporal variables (such as the moment at which the maximum racket's vertical speed occurs). A variant of said 2D analysis template is also shown (it only requires one camera and the calibration methodology is simpler). • The gyroscopes of the IMUs are a valid tool to evaluate the angular kinematics of hitting, with small differences with respect to the motion capture systems based on 3D photogrammetry, which have traditionally been considered as the reference method. The correlations and concordance statistics were strong (ranged from 0.951 to 0.993). The magnitude of the differences varied between 4.4 and 35.4 degrees/sec (in percentage relative to the maximums, the error was less than 5%). Based on data from previous work on tennis players, we can say that the error of the gyroscopes is low enough to detect differences both in studies that make a comparison between subjects and in repeated measures studies. Therefore, they can be considered as an alternative to evaluate hits in a field situation. • The gyroscopes of the IMUs allow predicting the speed of hitting the forehand, backhand and serve. The partial Pearson r correlations were above 0.8 in some cases (in x-axis of the trunk sensor's and in the y axis and z axis of the forearm sensor). The multiple linear regression model improved the correlation values. In addition, the proposed method allows an analysis of the relative implication of the most relevant segments in the stroke. In the future, laboratory studies should be carried out that relate anatomical movements (for example, the horizontal abduction movement of the shoulder) with the angular velocity of the sensors placed at different points on the body (for example, angular velocity of the sensor of the arm on its medial-lateral axis). • The forehand and the backhand showed greater motor variability than the serve, which could indicate that they are more complex hits from the coordinative point of view. The highest values of variance were found on the forehand in the forearm sensor on its x axis and on its z axis, and in the head sensor on its z axis (they were of 22.7%, 21.5% and 25.4%). More studies are needed on the anatomical significance of these movements and on the relevance to performance / skill learning of the greater variability in them. The most relevant results in the musculoskeletal health block are: • Paddle tennis, like other racket sports, is an asymmetrical sport at the level of the upper limbs. There were greater asymmetries of lean mass than a control group of skiers (7.2 ± 5% vs. 1.4 ± 3.2%; p <0.001 for the total sample) both in players with a negative state of maturity (5.7 ± 3, 2% vs. 1.5 ± 3.8%; p <0.001) and in those with a positive state of maturity (8.3 ± 5.8% vs. 1.3 ± 2.4%; p <0.001). In the case of manual grip strength, there were also significant differences with big effect sizes (greater than one): it was of 22.1 ± 13.2% in the case of paddle tennis players (in the sub-12 group it was of 19.3 ± 14.8%) and of 2.6 ± 13.3% in skiers (in the sub-12 group it was of 1.8 ± 16.9%). These data show that the development of such asymmetries occurs even before the age of peak growth in height. For this reason, it is suggested that, from the beginning of sports practice, paddle tennis should be complemented with other activities of a symmetrical nature. A low-cost methodology is presented to analyse body posture in 3D, based on a portable calibration instrument. In addition, it allows to measure the error committed in the real unit of measurement, something that we believe is essential (and unusual) in this type of study. This methodology is based on easy-to-use Excel templates that could be utilised by trainers and scientists in the area. The error when compared to a high precision 3D photogrammetric system was small (approximately 2 mm for translations and between 1–2 degrees for angles). • As in running and walking, in the game of tennis a series of mechanisms for attenuating the impact peaks are put into play in the spine that prevent the impact peaks on the head from being too high. Although there was no clear attenuation mechanism between the lower part of the spine and the upper part, there was a clear attenuation between the upper part of the spine and the head (the magnitude of the peaks was of ~ 25 m/s2 and of ~ 20 m/s2 respectively; p <0.05; with attenuation percentages above 15% in almost all players). Future works should analyse the biomechanics of these attenuation mechanisms.