Method development and validation for front crawl swim technique evaluation

Nowadays the spread of wearable technologies is in a continuous expansion in every industrial field. The biggest innovation brought by wearable technolo- gies is their simplicity of utilization and their comfort. In particular, when talking about technologies for sport, it is easy to think how the presence of big sensor or devices on the athlete body surface would avoid a physiological movement. On the contrary, if the sensors and their microcontrollers are integrated, as far as possible, in the technical clothes, the device let the athletes be free from any impediment. This can be possible thanks to the invention of MEMS technologies and the creation of miniaturized sensor. At the beginning the interest in wearable device was mainly oriented to medical applications under the impulse giving by the attempt to involved the user and their families in prevention, diagnosis and treatment of various kind of pathologies. This let the rise of Wearable Biomedical Systems (WBS). The example given by this kind of device in the health care makes the market think about a possible application in the sport and movement analysis area where often it is di cult to have a quantitative data with portable and low cost technology. The creation of wearable devices for sports evaluation brings many advantages: 1. They help trainers in the quantitative evaluation of technical move- ment so that they can prepare the athletes with training session sup- ported by a solid numerical evidence. This also let the athletic trainer to assess improvements and the quality of technical gesture execution; 2. These device make people to be more active and to do exercises with an electronic supervisor so that people can do their exercises in safety and keeping trace of their health status. This has also a positive impact on the general healthiness of the population; 3. Wearable devices let the movement be more ecological: there aren't cables or other impediments for the athletes movement. Considering swim, we can a rm how it requires complex movement sup- ported by a really complex biomechanics. Furthermore we have to consider also the particular environment in which swimmers has to train especially for the presence of water. This two features make complex the development of a such devices. Many are the already existing devices on market but, most of them, are not able to support trainers in an accurate evaluation of the athletic gesture. For example, don't give any information about heart rate or energy consumption, and don't give the opportunity to see any data in real time. In this thesis work, that is part of a more complex project developed by the Sensibilab of Politecnico di Milano, the aim was to realize an algorithm able to analyze front crawl style and give to the trainers data about the athletes performances using only the accelerometer's data. It is possible to divide the work in two parts: in the rst one it has been developed the algorithm and a simple GUI (Guided User Interface) realized with Matlab environment on the basis of a rst acquisition made by the lab's team, while, in the second one, we have collected data with speci c protocol and setup with the aim of evaluating the algorithm. This was possible thanks to the collaboration of the sport center Seven In nity of Gorgonzola (Milano) that gives us the opportunity of testing the device on their Master athletes. In particular, we concentrate our attention on the temporal indexes validation, as laps time and inversion duration, and on the number of strokes giving by the algorithm. Result show very good results in lap time and number of strokes detection. Considering only number of strokes detection, we have also detected an high stroke sensitivity. However, in inversion duration, results are quite good but they can be improved so that the algorithm can have a better performance. We have also asked to trainers their opinion on our project with a ques- tionnaire. Results show that our work is appreciate by the most of them and that the way we're follow is the right one. This thesis o ffers a solid basis on which can be developed a wearable and reliable device but it has to be improve and complete in every parts. It is also necessary to extend the evaluation to the other swimming styles and integrate information about heart rate and energy consumption so that the coach can have a complete feedback on the athlete status. Maybe, it would be interesting evaluate di erent communication protocol thus having a real time feedback during the training session. The present work is organized in ve chapters: 1. Chapter one gives a general introduction on the history, biomechanics and techniques of swimming styles; 2.Chapter two shows a panoramic on the devices on market showing their lacks, pros and cons. Later are presented the architecture of the used hardware and of the designed algorithm; 3. In chapter three are described materials and methods for the validation trials and the statistical indicators and methodologies exploited to compute results; 4. Chapter four shows results of the device's validation and the discussion about them; 5. Chapter fi ve has the purpose to show to the reader the opinion of interviewed coaches, comments and future perspective of the whole project.

Oggigiorno lo sviluppo delle tecnologie indossabili in ogni campo tecnologico e in continua espansione. La pi u grande innovazione portata dalle tecnologie indossabili e la loro semplicità e comodit à di utilizzo. In parti- colare, quando parliamo di tecnologie per lo sport, è facile pensare come la presenza di sensori con dimensioni elevate o dispositivi posti sul corpo dell'atleta, potrebbero ostacolare il suo movimento fisiologico andando ad alterare il pattern dell'esercizio atletico. Al contrario, se i sensori e il loro microcontrollore sono integrati il pi u possibile negli indumenti tecnici, il gesto atletico sar à completamente avulso da qualunque impedimento. Questo è stato possibile grazie all'invenzione della tecnologia MEMS e alla creazione di sensori miniaturizzati. All'inizio l'interesse per i wearable device era principalmente orientato alle applicazioni mediche sotto l'impulso dato dal tentativo di coinvolgere l'utente e la sua famiglia nella prevenzione, diagnosi e trattamento di svariate patologie. Ci ò port ò alla creazione dei Wearable Biomedical System (WBS). L'esempio dato da questo tipo di dispositivi nell'healt-care, portò il mercato a pensare ad una possibile applicazione di questi dispositivi nell'area dell'analisi del movimento e dello sport dove spesso è diffi cile avere dati quantitativi con una tecnologia portatile e a basso costo. La creazione di dispositivi indossabili per la valutazione dello sport ha portato diversi vantaggi: 1. Aiutano gli allenatori nella valutazione quantitativa e oggettiva del movimento tecnico in modo tale che essi possano preparare gli atleti attraverso sessioni di allenamento supportate da una solida evidenza numerica. Inoltre ci o permette all'allenatore di attestare i miglioramenti e la qualit à dell'esecuzione del gesto sportivo; 2. Questi dispositivi spingono le persone ad essere pi u attive e a praticare esercizi fi sici con un supervisore elettronico, in modo tale da svolgere l'attivit à in sicurezza e tenendo traccia del proprio stato di salute. Questo ha anche un impatto positivo sulla salute della popolazione in generale; 3. I wearable devices permettono al movimento di essere il pi u naturale possibile: non ci sono cavi di alcun tipo o altre tipologie di impedimenti al movimento degli atleti. Considerando il nuoto, possiamo aff ermare come esso richieda l'esecuzione di movimenti complessi supportati da una anch'essa complessa biomeccanica. Inoltre e necessario considerare il particolare ambiente in cui i nuotatori devono allenarsi caratterizzato principalmente dalla presenza di acqua. Queste due caratteristiche rendono complesso lo sviluppo di tali dispositivi per la valutazione del nuoto. Molti sono i dispositivi già presenti sul mercato ma, la maggior parte di essi, non sono in grado di supportare gli allenatori in un'accurata valutazione del gesto atletico. Per esempio alcuni di essi non danno alcuna informazione sulla frequenza cardiaca sul consumo di energia e non danno nemmeno l'opportunità di vedere i dati in real time. L'obiettivo di questo lavoro di tesi, che rientra in un pi u complesso pro- getto sviluppato dal laboratorio Sensibilab del Politecnico di Milano, era quello di realizzare un algoritmo che fosse in grado di analizzare lo stile libero e di dare informazioni all'allenatore sulle performances sportive degli atleti usando solo le informazioni ottenute dagli accelerometri. E' possibile dividere il lavoro in due parti: nella prima sono stati sviluppati in primis l'algoritmo e poi una semplice GUI (Guided User Interface) in ambiente Matlab sulla base di un'acqusizione fatta dal gruppo di ricercatori del laboratorio, mentre, successivamente, si sono acquisiti dati con un protocollo e un setup realizzato ad hoc per la valutazione e validazione delle prestazioni dell'algoritmo. Questo e stato possibile grazie alla collaborazione con il centro sportivo Seven In finity di Gorgonzola (Milano) che ci ha dato l'opportunit à di testare il dispositivo sugli atleti della categoria Master. In particolare ci siamo ci siamo concentrati sugli indici temporali, come i tempi di vasca e la durata dell'inversione, e sul numero di bracciate ottenuti in uscita dall'algoritmo in quanto molti degli altri indici ricavati si basano su queste misure. I risultati ottenuti sono molto positivi per quanto riguarda i tempi di vasca a il numero di bracciate. Considerando unicamente il numero di bracciate ottenute, abbiamo riscontrato un'alta sensitivit à nell'individuare le bracciate. Ciononostante, i risultati per quanto concerne la durata dell'inversione, sono abbastanza buoni ma hanno ancora un ampio margine di miglioramento. Abbiamo inoltre chiesto la loro opinione sul nostro progetto agli allenatori con un questionario pensato appositamente. I risultati mostrano che il nostro lavoro e apprezzato dalla totalit à di essi e che il progetto sta percorrendo la giusta direzione. Questa tesi off re una solida base su cui pu ò essere sviluppato un dispositivo affi dabile ma molti sono i miglioramenti e le integrazioni da realizzare. E necessario inoltre estendere la valutazione agli altri stili e integrare le informazioni sul ritmo cardiaco e sul consumo energetico in modo tale che l'allenatore possa avere un feedback completo sulla preparazione sica dell'atleta. Potrebbe inoltre essere interessante valutare diversi protocolli di comunicazione in modo da avere un feedback in real time durante la sessione di allenamento. Il presente lavoro e organizzato in cinque capitoli: 1. Il capitolo uno d à un'introduzione generale sulla storia, sulla biomeccanica e sulle tecniche dei diversi stili nel nuoto; 2.Il secondo capitolo mostra una panoramica sui dispositivi sul mercato, mostrandone i difetti, i pro e i contro. In seguito sono presentate l'architettura dell'hardware e dell'algoritmo realizzato; 3. Nel terzo capitolo sono descritti i materiali e i metodi per le prove di validazione del dispositivo e le metodologie statistiche e gli indicatori utilizzati per il calcolo dei risultati; 4. Il capitolo quattro mostra i risultati della validazione del dispositivo e la loro discussione; 5. Il capitolo quinto si propone di mostrare al lettore l'opinione degli allenatori intervistati, i commenti e gli sviluppi futuri dell'intero progetto.