Analysis of muscle fatigue during 1000m front crawl swimming by wireless surface electromyography (sEMG)

The purpose of this thesis is to study muscle fatigue during a 1000- meter crawl swim test using a combination of wireless surface electromyography (sEMG) and inertial measurement units (IMU). The main objective is to investigate changes in muscle activation strategies and signs of fatigue by analyzing electromyographic signals acquired during the performance of the test by five experienced swimmers. Data were collected using underwater sensors distributed over several muscles involved in swimming, with the addition of IMU sensors for stroke cycle segmentation. Each participant completed 10 sets of 100 meters, for a total of 1000 meters, with simultaneous video data acquisition for accurate signal synchronization. The processing of the sEMG signals allowed the normalization and evaluation of the muscle activation windows, allowing the detection of changes in muscle strategies during exercise. The results show that fatigue significantly affects the activity of specific muscles such as Biceps Brachii, Pectoralis Major and Latissimus Dorsi, with an increase in the duration of muscle activation in the final phases of the test. These changes, combined with an increase in the average stroke duration in some participants, indicate the onset of fatigue and the need for muscular compensation to maintain performance. In addition, the results suggest that there are individual differences in fatigue responses, with some swimmers able to maintain or even improve movement efficiency, while others show a decrease in speed and increased muscle involvement. These data provide important insights for improving athlete training by providing guidance on how to optimize muscle activation to reduce fatigue and prevent injury. The methodology developed using wireless sEMG represents a significant advance in swimming analysis, allowing accurate measurement without interfering with the natural movements of athletes.

Lo scopo di questa tesi è studiare l’affaticamento muscolare durante una prova di nuoto a stile libero su una distanza di 1000 metri, utilizzando una combinazione di elettromiografia di superficie wireless (sEMG) e unità di misura inerziale (IMU). L’obiettivo principale è investigare i cambiamenti nelle strategie di attivazione muscolare e i segni di affaticamento attraverso l’analisi dei segnali elettromiografici acquisiti durante l’esecuzione della prova da cinque nuotatori esperti. I dati sono stati raccolti utilizzando sensori subacquei distribuiti su diversi muscoli coinvolti nel nuoto, con l’aggiunta di sensori IMU per la segmentazione dei cicli di bracciata. Ogni partecipante ha completato 10 serie da 100 metri, per un totale di 1000 metri, con acquisizione simultanea di dati video per una sincronizzazione accurata dei segnali. L’elaborazione dei segnali sEMG ha permesso la normalizzazione e la valutazione delle finestre di attivazione muscolare, consentendo di rilevare cambiamenti nelle strategie muscolari durante l’esercizio. I risultati mostrano che l’affaticamento influenza in modo significativo l’attività di muscoli specifici come il bicipite brachiale, il grande pettorale e il gran dorsale, con un aumento della durata dell’attivazione muscolare nelle fasi finali della prova. Questi cambiamenti, combinati con un aumento della durata media della bracciata in alcuni partecipanti, indicano l’insorgere della fatica e la necessità di compensazioni muscolari per mantenere la performance. Inoltre, i risultati suggeriscono che esistono differenze individuali nelle risposte all’affaticamento, con alcuni nuotatori capaci di mantenere o addirittura migliorare l’efficienza del movimento, mentre altri mostrano una diminuzione della velocità e un maggiore coinvolgimento muscolare. Questi dati offrono importanti indicazioni per migliorare l’allenamento degli atleti, fornendo linee guida su come ottimizzare l’attivazione muscolare per ridurre l’affaticamento e prevenire infortuni. La metodologia sviluppata utilizzando la sEMG wireless rappresenta un avanzamento significativo nell’analisi del nuoto, permettendo una misurazione accurata senza interferire con i movimenti naturali degli atleti.