Towards real-world biomechanical detection of fatigue, energy, and injury in runners using Wearable Trunk Accelerometry

Thesis PhD (Sport Sc)--Stellenbosch University, 2018.ENGLISH ABSTRACT: Running continues to be an extremely popular form of exercise and sport. Unfortunately, many runners, both recreational and competitive, fail to meet their fitness and performance goals due to sustaining an overuse injury. Such overuse injuries can be due to numerous environmental factors and internal factors. Therefore, any approach to identifying and minimizing these risk factors in real-life running conditions will help runners to reach their training goals while also to regain running’s numerous health benefits. Running requires minimal equipment and can be performed on practically any terrain. Ideally, measurements of a runner’s mechanics should follow the runner through his or her typical training environment and be unrestricted to location. However, such measurements may require a totally different experimental approach compared to those traditionally performed in the laboratory (i.e. capture and analyse every stride of the runner outdoors rather than providing only a ’snapshot’ view). Over two decades ago it was acknowledged that obtaining objective data in real-life environments using wearable technology is of high priority with potential to advance running performance while also reducing injury risk. Even with recent and rapid technology advancements, there remains a paucity of literature linking the fields of wearable technology with running related performance and injury risk. Thus, the global objective of this thesis is to expand understanding with regards to detecting fatigue-, energy-, and injury-related dynamic instability and dynamic loading in runners using wearable trunk accelerometry (WTA), with transferability to ’real-world’ ecologically valid settings. In the first part of this thesis, we performed two indoor laboratory studies focusing firstly on the biomechanical, and secondly on the energetic aspects of running. Study I (chapter 2) biomechanically confirmed a fatigue-ability hypothesis, showing that runners incur a loss of stability from running-induced fatigue specific to laboratory-controlled treadmill running conditions at fixed speeds. Study II (chapter 3) physiologically confirmed a cost of instability hypothesis, revealing that certain aspects of dynamic stability are energetically advantageous to endurance running. In the second part of this thesis we performed two outdoor over-ground running experiments. Study III (chapter 4) experimentally showed that running on an irregular outdoor surface such as wood-chip trails disrupts aspects of stability specific to the mediolateral direction. Study IV (chapter 5) partially confirmed a fatigue-ability and injury hypothesis, showing that runners with history of medial tibial stress syndrome (MTSS) incur a loss of stability in the mediolateral direction from outdoor track-running at self-selected speeds. Finally, the general discussion (chapter 6) brings together findings with practical implications directed at runners, researchers, and practitioners. In addition, some preliminary data with regards to running stability before, during, and after an endurance training program are provided, with potential insights and future directions aimed at performance and injury detection. Overall, this doctoral thesis contributes to a better understanding of a runner’s dynamic stability and loading in relation to fatigue, energy and injury using wearable trunk accelerometry.SAMENVATTING (NEDERLANDS): Lopen is nog steeds een uiterst populaire vorm van lichaamsbeweging en sport. Jammer genoeg bereiken veel lopers, zowel recreatieve als competitieve, hun fitness- en prestatiedoelstellingen niet omwille van overbelastingsblessures. Dergelijke overbelastingsblessures kunnen het gevolg zijn van tal van omgevings en interne risicofactoren. Daarom zal elke aanpak om deze risicofactoren te identificeren en te verminderen in reeële loopomstandigheden, lopers in staat stellen om hun trainingsdoelen te bereiken en tegelijk de talrijke voordelen voor de gezondheid te herwinnen. Lopen vergt een minimale uitrusting en kan op vrijwel elk terrein worden beoefend. Ideaal gezien moeten metingen van de mechanica van het lopen de loper volgen in zijn of haar typische trainingsomgeving en zijn ze niet aan een locatie gebonden. Maar zulke metingen kunnen een totaal verschillende experimentele aanpak vereisen, in vergelijking met de metingen die traditioneel in het laboratorium worden uitgevoerd. Deze metingen registreren en analyseren elke stap die de loper buiten zet in plaats van enkel een momentopname te geven. Meer dan twee decennia geleden werd erkend dat het verkrijgen van objectieve gegevens in levensechte omgevingen met gebruik van draagbare technologie sterk kan bijdragen tot het verbeteren van de loopprestatie en het verminderen van het letselrisico. Ondanks recente en snelle technologische ontwikkelingen is er nog steeds een gebrek aan literatuur die het domein van draagbare technologie verbindt met loopprestaties en letselrisico. Dus, de algemene doelstelling van dit doctoraat is een beter inzicht te krijgen in de detectie van vermoeidheids-, energie- en letselgerelateerde dynamische instabiliteit en dynamische belasting bij lopers, gebruikmakend van draagbare romp accelerometers en transfereerbaar naar ecologisch valiede situaties. In het eerste gedeelte van dit proefschrift hebben we twee laboratoriumstudies uitgevoerd die gericht waren op, ten eerste, de biomechanische en, ten tweede, de energetische aspecten van het lopen. Studie I (hoofdstuk 2) bevestigt biomechanisch een vermoeidheidshypothese: lopers ondergaan een verlies aan stabiliteit door vermoeidheid veroorzaakt door het lopen, specifiek voor laboratorium gecontroleerde conditie waarbij lopers lopen op een loopband aan vaste snelheden. Studie II (hoofdstuk 3) bevestigt fysiologisch een hypothese van verlies aan stabiliteit. Het blijkt namelijk dat bepaalde aspecten van dynamische stabiliteit energetisch voordelig zijn voor het uithoudingsvermogen bij het lopen. Voor het tweede deel van dit proefschrift deden we twee experimenten op het terrein. Studie III (hoofdstuk 4) toont experimenteel aan dat lopen buiten op een hobbelige ondergrond, zoals bv. op de finse piste, aspecten van stabiliteit die typisch zijn voor de mediolaterale richting verstoort. Studie IV (hoofdstuk 5) bevestigt gedeeltelijk een vermoeidheids- en letselhypothese waarbij blijkt dat lopers met een geschiedenis van het Mediaal Tibiaal Stress Syndroom (MTSS), een verlies aan stabiliteit in de mediolaterale richting ondervinden bij het lopen op de piste aan zelfgeselecteerde snelheden. Bovendien worden er in studie IV draagbare romp accelerometers gebruikt in combinatie met draagbare tibiale accelerometers. De resultaten suggereren dat proximale instabiliteit in plaats van dynamische belasting of schokdemping wordt beïnvloed bij lopers met een geschiedenis van MTSS tijdens een vermoeidheidstest op de looppiste. Ten slotte brengt de algemene discussie (hoofdstuk 6) bevindingen samen met praktische consequenties voor lopers, onderzoekers en beoefenaars. Daarnaast worden enkele voorlopige gegevens verstrekt met betrekking tot loopstabiliteit voor, tijdens en na een uithoudingsprogramma, met mogelijke inzichten en toekomstige richting voor verder onderzoek gericht op prestatie en letselopsporing. Over het algemeen draagt dit proefschrift bij tot een beter inzicht in de dynamische stabiliteit en belasting van een loper in verhouding tot vermoeidheid, energie en letsels gebruikmakend van draagbare romp accelerometrie (versnelling).AFRIKAANSE OPSOMMING: Hardloop bly ‘n uiters populêre manier van oefen, asook ‘n sportaktiwiteit. Ongelukkig is daar baie hardlopers, rekreatief en kompeterend, wat nie hul fiksheids- en prestasiedoelwitte bereik nie as gevolg van die feit dat hulle ‘n oorgebruiksbesering opdoen. Sulke oorgebruiksbeserings kan die gevolg wees van verskeie omgewings- (ekstrinsiek) en interne (intrinsieke) faktore. Gevolglik sal enige benadering om hierdie risikofaktore in hardlooptoestande onder werklike lewensgetroue omstandighede te identifiseer en te verminder, hardlopers instaat stel om hul oefendoelwitte te bereik en die verskillende gesondheidsvoordele te herwin. Hardloop vereis minimale toerusting en kan bykans op enige terrein beoefen word. Ideaalgesproke behoort metings van die hardloper se meganika die hardloper “te volg” in sy of haar tipiese oefen-omgewing en nie gebonde te wees aan ‘n spesifieke plek nie. Sulke metings kan ‘n totale andersoortige benadering en metingstoerusting vereis as wat tradisioneel in ‘n laboratorium-opset gedoen word. Dus, in plaas daarvan dat ‘n enkele oombliklike weergawe verkry word, behoort elke tree vasgevang en ontleed te word, retrospektief of in werklike tyd. Meer as twee dekades gelede is dit al gestel dat die verkryging van objektiewe data in lewensgetroue omgewings deur middel van draagbare tegnologie, hoë prioriteit is, met die potensiaal om hardlopprestasie te verbeter, asook die risiko op beserings te verminder. Selfs met die onlangse en vinnige ontwikkeling in tegnologie, is daar steeds ‘n leemte in die literatuur wat draagbare tegnologie en hardloopverwante prestasie en beseringsrisiko verbind. Die oorkoepelende doel van hierdie tesis is gevolglik om begrip in terme van die bepaling van vermoeienis-, energie-, en beseringsverwante dinamiese onstabiliteit met die gebruik van draagbare rompversnellingstegnologie uit te brei, met oordraagbaarheid na “regte-wêreld” ekologies geldige omgewings. In die eerste deel van die tesis is twee binnenshuise laboratoriumstudies gedoen wat eerstens op die biomeganiese, en tweedens op energie-aspekte, van hardloopmeganika gefokus het. Studie I (hoofstuk 2) het biomeganies ‘n vermoeienis hipotese bevestig wat aandui dat hardlopers ‘n verlies van stabiliteit ervaar deur hardloop-geïnduseerde vermoeienis, spesifiek aan laboratoriumbeheerde trapmeul hardlooptoestande teen ‘n vasgestelde spoed. Studie II (hoofstuk 3) het fisiologies ‘n koste van onstabiliteit hipotese bevestig, wat aangedui het dat sekere aspekte van dinamiese stabiliteit voordele in terme van energie vir uithouvermoë hardlopers inhou. In die tweede deel van hierdie tesis het ons twee eksperimente in situasies buite die laboratorium uitgevoer. Studie III (hoofstuk 4) het eksperimenteel getoon dat om op ‘n ongelyke oppervlakte soos houtsplinterpaaie te hardloop, aspekte van stabiliteit in spesifiek die medio-laterale rigting ontwrig. Studie IV (hoofstuk 5) het gedeeltelik ‘n vermoeienis-oorgebruik-beseringshipotese bevestig. Hardlopers met ‘n geskiedenis van mediale stres sindroom het ‘n verlies aan stabiliteit in die medio-laterale rigting getoon wanneer hulle teen ‘n self gekose spoed op ‘n atletiekbaan buite gehardloop het. Ook in Hoofstuk 5 is draagbare rompversnellingstegnologie saam met tibiale versnellingstegnologie gebruik om voor te stel dat proksimale onstabiliteit, eerder as lading of skokverspreiding, retrospektief beïnvloed word deur mediale tibiale stressindroom tydens ‘n toestand van hardloopvermoeienis. Laastens gee die algemene bespreking (hoofstuk 6) ‘n samevatting van die bevindings met praktiese implikasies vir hardlopers, asook voorlopige data van hardlopers se stabiliteit voor, gedurende en na ‘n uithouvermoë oefenprogram. In geheel lewer hierdie doktorale tesis ‘n bydrae tot ‘n beter begrip van vermoeienis-, energie-, asook beseringsverwante hardloopstabiliteit