使用IMU傳感器進行槓鈴速度估算的效性評估（一） | Valid and Reliable Barbell Velocity Estimation Using an Inertial Measurement Unit

使用IMU傳感器進行槓鈴速度估算的效性評估（一） | Valid and Reliable Barbell Velocity Estimation Using an Inertial Measurement Unit

使用IMU傳感器進行槓鈴速度估算的效性評估

摘要

平均向心槓鈴速度（MCV）以及其位移的準確評估是阻力訓練的重要考量。因次本次研究將對於易於使用的IMU測量儀器VmaxPro®進行有效性與信度指標檢視。19名受過訓練的男性（23.1±3.2歲, 1.78±0.08m, 75.8±9.8kg ; 深蹲(1RM): 114.8±24.5kg），於兩個不同天內進行深蹲和臀推（3-5組共30次反覆次數，使用75% 1RM）。使用VmaxPro®及線性位置傳感器Speed4Lift®同時進行MCV和位移側量。

良好到優秀的組內相關係數(0.91 < ICC < 0.96)帶有微小系統偏差（p < 0.001; np2 < 0.50），深蹲 （0.01 ±0.04 m.s-1）和臀推（0.01 ±0.05 m.s-1）且低度限制的一致性（LoA <0.12 m.s-1）表示為可接受的有效性。MCV的同次間和每日間可靠性顯示出良好的ICC (0.55 < ICC < 0.91)和低LoA（ <0.16 m.s-1）。盡管位移顯示深蹲其間存在系統偏差（p < 0.001; np2 < 0.10; 3.4±3.4m），在臀推其間則無檢測到偏差（p = 0.784; np2 < 0.001; 0.3± 3.3m）。位移部分顯示出中等至良好的ICC（0.43 – 0.95），但在深蹲及臀推的有效性及同次間和每日間可靠性方面具有高LoA（7.8 – 10.7cm）。VmaxPro® 被認為是MCV評估的有效且可靠的工具。

Keywords : IMU; 速度依循訓練（velocity-based training）; VBT; 槓鈴速度（barbell speed）; （位置傳感器）position transducer; （傳感器）sensor

緒論

用於力量與爆發體能的速度依循訓練（Velocity-based training /VBT）在眾多運動中已獲得越來越高的關注[1]。基於運動速度與個人1RM相對負荷之間的密切關係，我們可以透過掌控運動速度來對阻力訓練進行監控[2,3]。與傳統的1RM側是相比，使用VBT訓練法能夠基於每日負荷-速度之間的關係，即刻地得到一個可被接受的%1RM估算（R2 = 0.954；估計的標準誤差(SEE) = 4.02%）[3,4]。這些發現證明VBT能夠使用一種穩定、非侵入性和高靈敏的方式來估計相關的力量訓練指標，例如相對負荷強度百分比（%個人1RM）、最大力量數值（個人1RM）[5]或是訓練期間[2]個體努力和神經肌肉疲勞程度[2]。此外，VBT還能被應用於阻力訓練監控使個體不至過度疲勞[2]。假若槓鈴平均向心速度（MCV）低於某個程度（速度損失百分比），表示該組次數不應保留至下組進行，應減少次數直到無法再次舉起。

為了能夠使用VBT來對力量表現引發的急性或訓練變化進行評估，就必須準確且可靠地側量MCV [6]。由於最小測量誤差（可靠性）對於體育研究至關重要[7]，因此仔細檢視此類傳感器的有效性和可靠性是有其必要性[1]。早前已有研究證實線性位置傳感器可為MCV評估提供高度精確性 [8]。可以說線性位置傳感器被認為是在MCV領域中的黃金標準[8-10]。

近年來慣性測量單位（inertial measurement unit/IMU）也被用於測量MCV [1,11]。除此之外，IMU系統還經常性地用於(i) 步態分析 [12,13]；(ii)行人導航跟踪 [14-21]；(iii)踝關節康復[22]； (iv) 足部姿勢估計 [23]；(v)足部間隙估計[24]；比賽監控[25]和 (vi)跑步過程中的足部衝擊檢測 [26]。一般來說IMU系統使用三軸陀螺儀、三軸地磁傳感和三軸加速規的數據融合，來提供強大無失真且精確的絕對位置和方向矢量[13]。這些數據結合法通常是透過卡爾曼線性濾波器（Kalman filters）[12,18,20]、聚類分析（clustering algorithm）[21]或/和隱式馬可夫模型（hidden Markov models）[17]來進行。在MCV測量的背景下，IMU傳感器與線性位置傳感器相比更具優勢[1]。線性位置傳感器作為纜線延長裝式在日常訓練中被認為是不合乎實際使用的，且容易出現纜線缺陷[1,11]，因此IMU傳感器被認為是最可行且最能廣泛應用的解決方案[1]。IMU可直接安裝於槓鈴尚且不需要脆弱的延長纜線或複雜的影片分析方式。因此除了使用於研究內之外，IMU是極為適合在日常訓練中實際使用。已上市的VmaxPro®傳感器正是基於IMU系統的設備。製造商對於能夠進行MCV和槓鈴位移得出有效可靠的測量做出背書[27]。不過在本研究之前尚未有該設備的獨立科學數據，由於VmaxPro®僅使用內置磁鐵吸附於槓鈴上，因此與線性位置傳感器或影片測量系統相比，在日常訓練中需要耗費明顯較低。我們可以說VmaxPro®似乎是日常訓練中對於MCV和槓鈴位移測量的實用且易於使用之解決方案。

在這個前提，本研究的目的是針對市面上IMU傳感器與有效、可靠和準確的線性位置傳感器相比的有效性進行量化。盡管同次間可靠性對於在阻力訓練其間監控急性應變（速度損失）至關重要[2]，不過每日可靠性在檢測非急性表現發展方面起著重要作用[7]。因此也將進行兩種設備的同次間及每日可靠性指標評估。

項目與方法

受試者

事前統計檢定力分析（α= 0.05；雙尾；檢定力 (1-β-error)= 0.95； 組內相關係數=0.75 ）使用G*Power (版本3.1.9.6；基爾大學；德國基爾)進行，確定的樣本數n=16。假設一個低至中等的失敗機率，19名有阻力訓練經驗的男性（23.1±3.2歲, 1.78±0.08m, 75.8±9.8kg ; 深蹲(1RM): 114.8±24.5kg; 臀推(1RM): 171.1±26.0kg）將被納入這項隨機對照交叉的有效性和可靠性測驗。所有參與者都至少有兩年的阻力訓練經驗，年齡至少18歲且沒有任何健康障礙，在過去六個月內都沒有任何神經肌肉或骨骼問題。在測試程序前，所有參與者都將先習慣所需設備、協議和練習。此外，所需要技術都經由經過認證且經驗豐富的力量和體能教練進行可視控制（於實驗室期間）。要求受試者在每次測試前24-48小時和測試日期前避免任何劇烈活動。本研究方案符合赫爾辛基宣言（Declaration of Helsinki）且獲得當地倫理委員會（176/2020：倫理委員會，德國體育大學，科隆）的批准，符合國際倫理標準[28,29]。所有參與者在收到全部相關研究信息後都簽署了書面知情同意書。

本文待續