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Theses Year : 2011

Biomechanics of sprint running : a methodological contribution

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Abstract

Sports biomechanics describes human movement from a performance enhancement and an injury reduction perspective. In this respect, the purpose of sports scientists is to support coaches and physicians with reliable information about athletes' technique. The lack of methods allowing for in-field athlete evaluation as well as for accurate joint force estimates represents, to date, the main limitation to this purpose. The investigations illustrated in the present thesis aimed at providing a contribution towards the development of the above mentioned methods. Two complementary approaches were adopted: a Low Resolution Approach - related to performance assessment - where the use of wearable inertial measurement units is exploited during different phases of sprint running, and a High Resolution Approach - related to joint kinetics estimate for injury prevention - where subject-specific, non-rigid constraints for knee joint kinematic modelling used in multi-body optimization techniques are defined. Results obtained using the Low Resolution Approach indicated that, due to their portability and inexpensiveness, inertial measurement systems are a valid alternative to laboratory-based instrumentation for in-field performance evaluation of sprint running. Using acceleration and angular velocity data, the following quantities were estimated: trunk inclination and angular velocity, instantaneous horizontal velocity and displacement of a point approximating the centre of mass, and stride and support phase durations. As concerns the High Resolution Approach, results indicated that the length of the anterior cruciate and lateral collateral ligaments decreased, while that of the deep bundle of the medial collateral ligament increased significantly during flexion. Variations of the posterior cruciate and the superficial bundle of the medial collateral ligament lengths were concealed by the experimental indeterminacy. A mathematical model was provided that allowed the estimate of subject-specific ligament lengths as a function of knee flexion and that can be integrated in a multi-body optimization procedure.
La biomécanique du sport décrit le mouvement humain dans le but d'améliorer la performance et de réduire les blessures. Dans ce contexte, le but des experts des sciences sportives est de fournir aux entraîneurs et médecins des informations fiables sur la technique des athlètes. Le manque de méthodes permettant l'évaluation des athlètes sur le terrain ainsi que l'estimation précise des efforts articulaires représente, à ce jour, une limitation majeure pour atteindre ces objectifs. Les travaux effectués dans la thèse vise à contribuer au développement des ces méthodes. Deux approches complémentaires ont été adoptées: une Approche à Basse Résolution - relative à l'évaluation de la performance - où l'utilisation de capteurs inertiels portables est exploitée au cours des différentes phases de la course de vitesse, et une Approche à Haute Résolution - lié à l'estimation des efforts articulaires pour la prévention des blessures - où des contraintes personnalisées pour la modélisation cinématique du genou dans le contexte des techniques d'optimisation multi-corps ont été définies. Les résultats obtenus par l'Approche à Basse Résolution indiquent que, en raison de leur portabilité et leur faible coût, les capteurs inertiels sont une alternative valable aux instrumentations de laboratoire pour l'évaluation de la performance pendant la course de vitesse. En utilisant les données d'accélération et de vitesse angulaire, l'inclinaison et la vitesse angulaire du tronc, la vitesse horizontale instantanée et le déplacement du centre de masse, ainsi que la durée de la phase d'appui et du pas ont été estimés. En ce qui concerne l'Approche à Haute Résolution, les résultats ont montré que les longueurs du ligament antérieur croisé et du latéral externe diminuaient, alors que celle du faisceau profond du ligament latéral interne augmentait de manière significative lors de la flexion. Les variations de longueur du ligament croisé postérieur et du faisceau superficiel du ligament latéral médial étaient de l'ordre de l'indétermination expérimentale. Un modèle mathématique a été fourni qui a permis l'estimation des longueurs ligamentaires personnalisées en fonction de la flexion du genou et qui peuvent être intégrées dans une procédure d'optimisation multi-corps.
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Dates and versions

pastel-00591130 , version 1 (06-05-2011)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00591130 , version 1

Cite

Elena Bergamini. Biomechanics of sprint running : a methodological contribution. Biomechanics [physics.med-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2011. English. ⟨NNT : 2011ENAM0013⟩. ⟨pastel-00591130⟩
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