Incertezza di misura di piattaforme dinamometriche e valutazione delle variazioni di massa nel ciclismo indoor

Introduction Indoor cycling is a sport, that consists of simulating cycling on the road (or outdoor) in an indoor environment, considering biomechanical and physiological features. Usually, the following instrumentation is required, to practice indoor cycling: roller, a device capable of producing a constant or variable resistance, opposed to forces produced by the cyclist on pedals; bicycle, that is connected to the roller; cycling power meter, interacting with the roller. Compared to outdoor cycling, indoor cycling can be practiced everywhere and in all weather conditions, allowing for a better control on training conditions and for an improvement in both technical (for example, the pedal cadence) and physiological aspects, such as the ventilatory threshold and the pulmonary ventilation. However, despite an increasing popularity of this sport, there is a lack in scientific studies regarding it and a better knowledge of some physiological mechanisms is needed. Currently, several commercial online platforms are available, that interact with rollers and virtually simulate cycling trails. Some features could be improved, though. For example, the evaluation of the sweat rate and the associated weight losses of cyclists. Right now, indeed, the body weight is set once, at the beginning of the training session, and all the weight losses are neglected (a reference value for sweat rate of male subjects is 1.12 l∙h-1 [11]). So, quantifying losses in body mass could allow to adjust the braking action of the roller on the bicyle and to make it consistent with the real weight. A possible way to determine weight variations involves the use of force platforms, devices that measure ground reaction forces. Unfortunately, measurements of force platforms are affected by systematic errors, low-frequency noises and drift. Moreover, weight variations due to sweating are 103 less than total body mass and this should be considered. Thus, before quantifying sweat rate, it was necessary to determine the minimum variation in the weight, that could be reliably detected by force platforms. In the literature, studies have been conducted to assess measurement uncertainty of force platforms (also in cycling contexts). In particular, differences between known and measured weights were determined, in some studies. The aim of this thesis work was the quantification of the measurement uncertainties of force platforms and the evaluation of variations in body mass in indoor cycling. Materials and methods The study was conducted on a sample of four amateur male cyclists, aged between 32 and 42, with a BMI ranging from 21 and 27, that used to regularly practice both indoor and outdoor cycling. Experimental setup consisted of the personal bicycle of each subject, an interactive “direct drive” roller, the Zwift® virtual platform and two force platforms, with strain gauge transducers. In addition, a digital stadiometer, a precision scale and an optoelectronic system (with passive markers) were used. Firstly, preliminary tests were conducted to characterize measurement uncertainty of force platforms. In particular, the following acquisitions were performed: constant load, in which a known mass was placed on the platforms for 30 minutes; constant and dynamic loads, in static conditions (two separate tests), in which a known mass or a person was placed on the platforms, while calibration samples of decreasing weight were added and removed from the platforms; constant and dynamic loads, in dynamic conditions, in which a cyclist was pedalling, while calibration samples of decreasing weight were added and removed from the platforms. Then, 30-minutes cycling tests were performed on every subject, to evaluate their body mass variations. Body mass and clothing mass were measured, before and after the test. To analyse the vertical component of the ground reaction force (only component of interest), measured by the force platforms, SMART Analyzer (BTS S.p.A., Italy), Excel (Microsoft Corp., USA) e Matlab (Mathworks Inc., USA) were used. For each test, signals recorded by the two force platforms were added together. Then, the obtained signal was filtered with a low-pass filter (with specific cut-off frequency, for each test) and expressed in terms of mass. From the constant load trial, linear regression and standard deviation were calculated, to determine drift. From each test with constant and dynamic loads, 15-seconds intervals were selected and mass averages on each interval were calculated. Then, mass variations during the test and RMSE were calculated and a two-tailed Student’s t-test with paired samples (α = 0.05) was performed. From the cycling tests, 20-seconds intervals, exhibiting a regular signal (i.e., without instantaneous peaks in ground reaction force), were selected and mass averages on each interval were calculated. Moreover, linear regression, mass variations (absolute and in percentage) and actual body mass were calculated for each subject. Results From the constant load trial, drift was found to be 0.191 kg. Combining the standard deviation of the same trial with RMSE of the other preliminary tests, measurement uncertainty was obtained. For the test at constant and dynamic loads, in static conditions, the uncertainty was 0.036 kg for the one in which known mass was used and 0.052 kg for the one in which a person was standing on the platforms. For the one at constant and dynamic loads, in dynamic conditions, the obtained result was 0.048 kg. Furthermore, in the test at constant and dynamic loads, with known masses, and in the one at constant and dynamic loads, in dynamic conditions, measurement errors increased, with the decrease of the mass of the calibration samples. This trend was not observed in the other test. All the t-test performed were not statistically significant. Analysing cycling tests and measurements, performed with the digital stadiometer, total mass losses ranged from 0.10 kg up to 0.55 kg (respectively, 0.14% and 0.54% of the body mass of the corresponding subject), while mass losses due to evaporation of sweat ranged from 0.10 kg up to 0.40 kg (respectively, 0.14% and 0.40% of the body mass of the corresponding subject). From data obtained through force platforms, 3 cyclists out of 4 exhibited a decrease in their body mass, if the beginning and the end of the test are considered. During the same test, oscillations around the initial value were recorded. Discussion and conclusions This study was conducted with the aim of evaluating the feasibility of the use of commercial force platforms to measure body mass variations, caused by sweating, during indoor cycling sessions. Results show that, over short time intervals (such as 30 min), measurement uncertainties of force platforms are comparable with the mass of evaporated sweat, that is about 60÷ 70% of sweat rate. Drift indicates that all the data obtained through force platforms are affected by an intrinsic error of the platforms themselves and this could be caused by thermal effects. When a person is standing on force platforms, measurement uncertainty increases, while a cyclic loading does not influence this parameter. Moreover, when mass variations become smaller, measurement errors increase. So, mass variations measured over short periods of time could be not accurate. Body mass, measured by force platforms during cycling tests, showed non-monotone oscillations. This result could be due to thermal transients, to inertial components or to crosstalk between different channels of load cells. Moreover, mass variations measured by force platforms are much lower than ones detected by the digital stadiometer, because force platforms only quantify evaporated sweat. In conclusion, force platforms are able to detect mass variations on the order of 10-1 kg, when the system’s weight is on the order of 102 kg, but measurements are affected by an error on the order of 10-2 kg. So, force platforms or, at least, the force platforms used in this study, do not represent valid instruments to evaluate small mass variations over time.

Introduzione Il ciclismo indoor è un’attività sportiva che consiste nel riprodurre in un luogo chiuso, dal punto di vista biomeccanico e fisiologico, la pedalata su strada o in generale in ambiente outdoor. Per praticare il ciclismo indoor occorrono di norma i seguenti strumenti: un rullo, ossia un dispositivo capace di esercitare una resistenza costante o variabile, che si oppone alla forza applicata dal ciclista sui pedali; una bicicletta, che viene fissata o appoggiata sul rullo durante l’esercizio; un rilevatore di potenza, che invia segnali e interagisce con il rullo. Rispetto al ciclismo all’aperto, il ciclismo indoor presenta i vantaggi di poter essere svolto in qualsiasi luogo e con qualsiasi clima, consentendo un maggiore controllo delle condizioni di allenamento ed un miglioramento sia aspetti tecnici, come la cadenza di pedalata, sia parametri fisici, come il V ̇O2, max e la ventilazione polmonare. Nonostante una sempre maggiore diffusione a livello globale di questa disciplina, gli studi scientifici su questo sport sono poco numerosi ed alcuni aspetti fisiologici non sono ancora stati indagati. Attualmente, esistono numerosi applicativi commerciali, che interagiscono con i rulli, simulando virtualmente percorsi simili a quelli reali. Rimangono, però, ancora alcuni aspetti da studiare, tra i quali vi è la misurazione della quantità di liquidi che il ciclista perde durante l’esercizio a causa della sudorazione (sweat rate). Ad oggi, infatti, la massa del ciclista viene impostata solamente all’inizio dell’attività, ma questo non tiene conto delle eventuali perdite di massa che avvengono durante l’esercizio (un valore di riferimento di sweat rate per gli uomini è 1.12 l∙h-1 [11]). Quindi, riuscire a quantificare l’entità della massa stessa persa dal sistema consentirebbe di regolare la resistenza applicata dal rullo alla catena della bicicletta e rapportare lo sforzo al peso reale del sistema bici-ciclista. Un metodo per determinare variazioni di peso prevede l’utilizzo di piattaforme di forza, strumenti che misurano le forze di reazione al terreno. Le misure fornite dalle piattaforme di forza, però, sono affette da errori di misura sistematici, rumori a bassa frequenza e drift. In aggiunta a questi errori, occorre considerare anche che la variazione di massa che si vuole determinare è di circa 103 volte inferiore a quella del soggetto. Quindi, prima di focalizzarsi sullo sweat rate, è stato necessario stabilire la minima variazione di peso rilevabile in modo attendibile dalla piattaforma di forza. In letteratura, sono già presenti studi mirati alla valutazione dell’incertezza delle misure fornite dalle piattaforme di forza (anche in ambito ciclistico), che quantificano le differenze tra masse note aggiunte e valori misurati dalle piattaforme. L’obiettivo che si propone questa tesi è indagare la fattibilità della misura mediante piattaforme di forza dello sweat rate e della conseguente perdita di massa corporea durante attività di ciclismo indoor. Non esistono attualmente in letteratura studi che hanno perseguito questo stesso fine. Materiali e metodi Lo studio è stato condotto su quattro ciclisti amatori di sesso maschile, di età compresa tra 32 e 42 anni e BMI compreso tra 21 e 27, che praticavano con continuità sia l’attività indoor che quella outdoor. Il set up principale utilizzato era composto dalla bicicletta personale di ogni ciclista, dai rulli interattivi direct drive, dalla piattaforma virtuale Zwift e da due piattaforme di forza con trasduttori estensimetrici. Inoltre, sono stati utilizzati anche i seguenti strumenti: uno stadiometro digitale, una bilancia di precisione e un sistema optoelettronico a marker passivi. Sono state condotte anzitutto delle prove preliminari, per caratterizzare l’incertezza di misura delle piattaforme di forza. In particolare, sono state effettuate le seguenti acquisizioni: a carico costante, in cui una massa nota è stata appoggiata sopra alle piattaforme, per una durata pari a 30 min; a carico costante e dinamico sul breve periodo, in condizioni statiche, in cui, oltre alla massa nota o ad un soggetto in posizione statica sulle piattaforme, venivano aggiunti e rimossi provini di calibrazione di massa decrescente; a carico costante e dinamico sul breve periodo, in condizioni dinamiche, in cui un ciclista pedalava sulle piattaforme di forza, mentre i provini di calibrazione venivano aggiunti e rimossi dalle piattaforme stesse. In seguito, sono state eseguite prove di pedalata sui quattro ciclisti, per valutare la variazione di massa corporea dei soggetti analizzati, misurando la massa di ogni soggetto e degli indumenti, prima e dopo la prova, e registrando il segnale delle piattaforme per 30 min. Per l’analisi dei dati della componente verticale della forza di reazione (unica componente di interesse), registrata dalle piattaforme di forza, sono stati utilizzati i software SMART Analyzer (BTS S.p.A., Italia), Excel (Microsoft Corp., USA) e Matlab (Mathworks Inc., USA). I segnali di forza delle due piattaforme, per ogni prova, sono stati sommati tra loro, filtrati con un filtro passa-basso (con frequenze di taglio diverse per le varie prove, per evidenziare le componenti di interesse) ed espressi in termini di massa. Dai dati della prova a carico costante, sono stati calcolati la retta di regressione e lo scarto tipo, per determinare il drift delle piattaforme. In ogni prova a carico costante e dinamico, sono stati selezionati intervalli di tempo di circa 15 s, nei quali sono state calcolate le medie temporali dei valori di massa registrati. Poi, sono state ottenute le variazioni di massa durante tutta la prova, è stato eseguito un t-test di Student per campioni appaiati a due code (α = 0.05) ed è stato calcolato il RMSE. Dalle acquisizioni di pedalata, invece, sono stati considerati intervalli di circa 20 s, con un segnale regolare (senza picchi istantanei di forza), nei quali sono state calcolati sia le medie temporali dei valori di forza registrati sia la retta di regressione lineare. Infine, sono state determinate le variazioni di massa assolute e in percentuale e la massa corporea effettiva di ogni soggetto. Risultati Dall’acquisizione a carico costante, il drift è risultato essere pari a 0.191 kg, mentre combinando lo scarto tipo di questa prova con i RMSE delle altre prove preliminari, è stata ottenuta l’incertezza di misura delle piattaforme di forza nelle diverse condizioni di prova. In particolare, i valori di incertezza ottenuti sono 0.036 kg, 0.052 kg e 0.048 kg, rispettivamente, per la prova a carico costante e dinamico, la prova con soggetto statico e carico dinamico e la prova a carico statico e dinamico, in condizioni dinamiche. Inoltre, nella prova con carico costante e dinamico e in quella con carico dinamico e pedalata si può notare che, al diminuire delle masse aggiunte e rimosse, aumentano gli scarti tra i valori di massa misurati e quelli delle masse note. Nella prova con carico dinamico e con la massa nota sulla piattaforma di forza, invece, non si è riscontrato lo stesso andamento. Per tutte le acquisizioni preliminari considerate, il t-test è risultato non significativo. Dall’analisi delle acquisizioni di pedalata e delle misure dello stadiometro digitale, le perdite di massa totali di ogni soggetto sono risultate comprese tra 0.10 kg e 0.55 kg (pari, rispettivamente, a 0.14% e 0.54% della massa totale dei soggetti considerati), mentre le perdite di massa per evaporazione del sudore erano comprese tra 0.10 kg e 0.40 kg (pari, rispettivamente, a 0.14% e 0.40% della massa totale dei soggetti considerati). Dai dati delle piattaforme di forza, in 3 soggetti su 4 la massa diminuisce tra l’inizio e la fine della prova di pedalata, mentre durante la prova si sono registrate oscillazioni attorno al valore iniziale. Discussione e conclusioni Questo lavoro è stato condotto con l’obiettivo di valutare la fattibilità riguardo l’utilizzo di piattaforme di forza commerciali per la misura delle variazioni di massa corporea, dovute alla sudorazione, durante sessioni di ciclismo indoor. I risultati ottenuti mostrano che, su prove relativamente brevi (ad esempio, 30 min), l’incertezza di misura delle piattaforme di forza è confrontabile con la frazione di sudore dispersa per evaporazione, che è circa il 60 ÷ 70% dello sweat rate. I risultati del drift indicano che i dati ottenuti durante le acquisizioni di pedalata sono affetti da un errore intrinseco alla strumentazione utilizzata, che potrebbe essere causato da effetti termici. La presenza di un soggetto sulle piattaforme aumenta l’incertezza della misura, mentre un carico ciclico non influenza questo parametro. Inoltre, al diminuire delle variazioni di massa, l’errore di misura aumenta. Quindi, le variazioni di massa su brevi intervalli di tempo potrebbero non essere accurate. La massa, rilevata dalle piattaforme di forza durante le prove di pedalata, mostra oscillazioni non monotone. Potremmo attribuire questo risultato a dei transitori termici, alle componenti inerziali o a cross-talk con gli altri canali delle celle di carico. Inoltre, le variazioni di massa misurate con le piattaforme di forza sono molto minori di quelle rilevate dallo stadiometro digitale, poiché le piattaforme rilevano solamente il sudore evaporato. In conclusione, le piattaforme di forza sono in grado di determinare la presenza di variazioni di massa dell’ordine di 10-1 kg in un sistema dell’ordine di 102 kg, ma le misure sono affette da un’incertezza dell’ordine di 10-2 kg. Perciò, le piattaforme di forza, o almeno il modello esaminato in questo lavoro, non costituiscono un valido strumento per valutare minime variazioni di massa nel tempo.