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Che cosa sono le wearable technologies?

La quantificazione degli aspetti dell’allenamento per migliorare la programmazione e la valutazione degli atleti è un tema ricorrente. Ma recentemente l’interesse scientifico è aumentato, dovuto ai progressi tecnologici (1).

Negli ultimi anni c’è stato un aumento nel numero di studi che valutano il carico di allenamento in modo soggettivo, vedi RPE, e attraverso quantificazioni del carico esterno: mancano studi longitudinali che impiegano misurazioni oggettive del carico interno, probabilmente a causa del costo e dell’invasività delle misurazioni necessarie.

I progressi nella tecnologia dovrebbero contribuire allo sviluppo di strumenti portatili migliori per facilitare le misurazioni ed abbattere i costi associati alla realizzazione di studi osservazionali longitudinali.

Tenendo conto dei recenti sviluppi tecnologici, l’obiettivo di questo articolo è quello di fare una review rispetto alle diverse tecnologie portatili.

Che cosa ci racconta la storia?

La wearable technology è probabilmente l’area più interessante della tecnologia al momento, ma i suoi inizi sono molto più datati di quanto ci potremmo aspettare. Facendo un breve excursus riguardo i primi apparecchi della storia, troviamo:

  • Anello dell’Abbaco, XVII secolo: L’abaco fatto di argento e collocato all’interno di un anello, una reliquia della dinastia Qing che governò la Cina tra il 1644 e il 1912. Secondo quanto riferito, potrebbe essere la prima forma conosciuta di tecnologia indossabile che non fosse semplicemente qualcosa da appuntare ai vestiti;
  • Pedometro, 1780: Leonardo da Vinci aveva previsto un dispositivo meccanico per contare i passi, ma fu solo nel 1780 che un uomo svizzero di nome Abraham-Louis Perrelet modificò il suo meccanismo di orologio a carica automatica per misurare i passi e la distanza percorsa camminando;
  • Orologio digitale, 1972: I primi orologi meccanici da polso digitali erano disponibili negli anni ’20, ma fu solo negli anni ’70 che fu sviluppato il primo orologio da polso elettronico digitale;
  • Auricolare Bluetooth, 2000: il primo auricolare Bluetooth non era disponibile fino al 2000, anche se la specifica Bluetooth 1.0 c’era già nel 1999 ed è stato il primo telefono bluetooth con auricolare abilitato.

Queste sono solo alcuni degli esempi di tecnologia che hanno portato allo sviluppo attuale.

Che cosa ci dice la ricerca scientifica sulle tecnlogie indossabili?

La ragione di questo interesse risiede nella necessità di migliorare e individualizzare i programmi di allenamento, progettato con lo scopo di produrre stimoli capaci ad innescare le risposte fisiologiche per la stimolazione dei vari sistemi biologici.

Le prime ricerche di Selye (4) sullo stress hanno permesso di delineare il pensiero del moderno allenamento e delle metodologie di identificazione degli esercizi (5) e hanno gettato le basi per un approccio sistematico alla quantificazione delle risposte ai vari stimoli. È assodato che l’allenamento altera l’omeostasi e induce uno “stress” che il corpo bilancia per recuperare ed adattarsi allo stimolo successivo.

Tuttavia, il risultato di una programmazione inappropriata può causare problemi di salute e disadattamento (6), immunosoppressione, alterazioni del profilo ormonale (7) e, generalmente, causa una diminuzione delle prestazioni (8).

Impellizzeri et al. (2005) differenziato tra gli aspetti interni ed esterni del carico di formazione. Il carico interno si riferisce agli aspetti più fisiologici, mentre il carico esterno rappresenta le attività eseguite dall’atleta. L’adattamento è la conseguenza del carico di allenamento interno determinato principalmente dal carico di allenamento esterno a cui l’atleta è esposto (9).

Nonostante ciò, non tutti apprezzano o utilizzano tecnologia, anche perché per alcune la validità non è ancora così riscontrata. Dovuto al facile accesso, al basso costo e alla semplicità di utilizzo, la session-RPE è uno dei metodi più utilizzati, come i metodi classici (lattato, HRV). In studi recenti invece predominano principalmente studi sul carico esterno, grazie all’accessibilità dei sistemi di misurazione inerziale (IMU) che possono essere utilizzati dagli atleti durante l’allenamento e le competizioni.

Come monitorare l’attività fisica?

Dato il crescete numero di applicazioni e tecnologia indossabile per il monitoraggio, cerchiamo di fare un po’ di luce su ciò che può essere utile e ciò che ancora non lo è. Dopo aver effettuato una ricerca su Pubmed, ho scelto principalmente 3 articoli che hanno testato l’efficacia di queste tecnologie.

Current State of Commercial Wearable Technology in Physical Activity Monitoring 2015-2017 (Bunn et al. 2018)

I trackers indossabili sono un metodo popolare e utile per raccogliere informazioni biometriche a riposo e durante l’attività fisica. Lo scopo di questa revisione sistematica era di riassumere le recenti scoperte di dispositivi indossabili per informazioni biometriche relative a passi, frequenza cardiaca e dispendio calorico per diversi dispositivi che detengono una grande porzione della quota di mercato. Le ricerche sono state condotte sia su PubMed che su SPORTdiscus. Gli articoli sono stati conservati se includevano un allenamento di almeno 5 minuti o superiore e se avevano 20 o più partecipanti (10 in totale). Cosa si è visto è che nel complesso:

  • i dispositivi indossabili tendono a sottostimare il dispendio energetico rispetto alle misure di laboratorio, tuttavia a intensità più elevate la sottostima della spesa energetica è maggiore. In questo senso il più affidabile è la famiglia dei FitBit, quello meno affidabile il Jawbone (rispetto ad Apple Watch, Garmin, Samsung Gear). In ogni caso si precisa che in nessuno degli studi valutati c’è stato uno studio della validità test-retest;
  • Tutti i sensori da polso-braccio avevano una tendenza a sottostimare la frequenza cardiaca, e questo errore era generalmente maggiore con intensità di esercizio più elevate, compreso un maggiore movimento del braccio. La valutazione del criterio negli studi valutati includeva un elettrocardiogramma (ECG) o una fascia toracica polare. I monitor di attività polso e avambraccio avevano una vasta gamma di precisione, con Apple iWatch con l’errore percentuale medio assoluto più basso (MAPE) e i dispositivi Fitbit con il MAPE più elevato. Anche la misurazione della frequenza cardiaca era in genere migliore a riposo e durante l’esercizio su un cicloergometro rispetto all’esercizio su un tapis roulant o su una ellittica. Uno studio ha incluso una fascia toracica Polar come dispositivo testato rispetto a un ECG, e la fascia toracica aveva il MAPE più basso e la concordanza più elevata rispetto ai dispositivi da polso-avambraccio;
  • Il conteggio dei passi è stato sottostimato a velocità di camminata più basse, ma è risultato una misurazione più precisa a velocità più elevate. Fitbit One e Fitbit Zip hanno dimostrato con continuità un MAPE <5% e sono stati notati da diversi studi come i più precisi. Al contrario, diversi studi hanno rilevato che Nike + FuelBand e Polar Loop sono i meno precisi, con un MAPE >10%.

Evaluating the Impact of Physical Activity Apps and Wearables: Interdisciplinary Review (McCallum et al. 2018)

Dei 111 studi inclusi, circa la metà sono stati pubblicati tra il 2015 e il 2017, il 55,0% erano RCT (randomize control trials) e solo 2 studi hanno utilizzato rapid designs. Quasi tutti gli studi hanno misurato l’attività fisica in modo obiettivo utilizzando sensori (interni o esterni), con RCT che hanno maggiori probabilità di utilizzare sensori esterni (accelerometri).

Meno di un terzo degli studi ha esaminato l’efficacia, l’impegno e l’accettabilità insieme. In base alle nostre definizioni operative, gli studi che hanno misurato l’impegno hanno utilizzato principalmente i registri generati dai dispositivi per valutare la frequenza, la profondità e la durata dell’impegno. Gli studi che hanno esaminato l’accettabilità hanno spesso utilizzato questionari e metodi qualitativi per valutare l’apprezzamento, l’efficacia percepita e l’utilità, la soddisfazione, l’intenzione degli utenti di continuare a utilizzare l’app o il dispositivo e l’accettabilità sociale.

La MOST, ad esempio, come design di studio, richiede che siano prese diverse decisioni prima di condurre lo studio (ad esempio, decidere quali componenti specifici dell’intervento basati sulla teoria devono essere testati e valutare la fattibilità di realizzare un progetto di ricerca che può richiedere spesso un campione ampio). Questi requisiti possono essi stessi richiedere tempo e risorse. Le barriere all’utilizzo di progetti di ricerca rapida possono anche essere concettuali: prove preliminari suggeriscono che il valore e i requisiti per i progetti di casi singoli non sono stati completamente compresi dagli operatori sanitari clinici, che possono essere applicati anche ai ricercatori di mHealth.

Oltre all’efficacia, la valutazione dell’impegno e dell’accettabilità degli utenti è importante:

  1. per generare una migliore comprensione dell’impatto complessivo;
  2. spiegare la variazione dei risultati;
  3. rivelano influenze (potenzialmente interattive) sull’efficacia.

Nonostante ciò, solo circa un terzo degli studi (32,0%) ha esaminato tutti e 3 gli obiettivi insieme. Inoltre, il 40,0% di questi non ha utilizzato statistiche inferenziali per valutare l’efficacia (utilizzando invece le statistiche descrittive e l’analisi visiva) e quasi un quinto di tutti gli studi (18,9%) conteneva meno di 13 partecipanti.

Molte valutazioni di app e wearable technologies sembrano avvalersi di metodi efficienti di raccolta dati: due terzi degli studi hanno impiegato sensori in-device in smartphone e dispositivi indossabili per misurare l’attività fisica. Il fatto che gli RCT usassero sensori esterni validati più spesso di altri progetti di studio ne acuisce la loro inefficienza. Inoltre, l’uso di sensori esterni spesso comporta procedure di misurazione che possono ridurre la generalizzazione dei risultati a contesti del mondo reale.

La maggior parte degli studi che hanno misurato l’impegno, ha utilizzato i registri generati dai dispositivi: questi possono essere più efficienti dei metodi di autovalutazione qualitativa, che possono richiedere molto tempo e complicazioni. Al contrario, l’accettabilità è stata generalmente valutata tramite questionari e/o metodi qualitativi face to face. I ricercatori dell’HCI hanno sottolineato la necessità di raccogliere dati qualitativi soggettivi accanto ai registri generati dai dispositivi per comprendere pienamente non solo “cosa” fanno le persone, ma “perché”. Hanno rilevato che una manciata di studi (11%) utilizzava i dati di registro (ad esempio, registri di utilizzo generati dal dispositivo o registri di testo immessi dall’utente) per valutare alcune dimensioni di accettabilità. La validità di questo approccio (vale a dire, se una delle due forme di dati di registro può sufficientemente catturare i ricchi dettagli contestuali tipicamente offerti dai metodi qualitativi tradizionali) dovrebbe essere esplorata.

Nonostante il rapido aumento delle valutazioni dell’impatto di app di attività fisica e indossabili, pochi sono ottimizzati in relazione all’efficienza e alla valutazione dei costrutti chiave di efficacia, impegno e accettabilità.

Trends Supporting the In-Field Use of Wearable Inertial Sensors for Sport Performance Evaluation: A Systematic Review (Camomilla el al. 2018)

I recenti sviluppi tecnologici hanno portato alla produzione di sensori magneto-inerziali miniaturizzati economici, non invasivi, ideali per ottenere misure di prestazioni sportive durante l’allenamento o la competizione.

Questa revisione sistematica valuta le prove attuali e il potenziale futuro del loro uso nella valutazione delle prestazioni sportive. Gli articoli pubblicati sono stati cercati nei database Web-of-Science, Scopus, Pubmed e Sport-Discus hanno portato alla selezione di 286 studi e 23 recensioni.

I lavori selezionati riguardavano la valutazione della capacità motoria (51 documenti), l’analisi tecnica, la classificazione dell’attività e la valutazione delle richieste fisiche. L’attenzione si è concentrata principalmente su atleti di élite e sub elite (59%) che praticavano il loro sport in campo durante l’allenamento (62%) e la competizione (7%). La misurazione del movimento all’aperto creava opportunità negli sport invernali (8%), negli sport acquatici (16%), negli sport di squadra (25%) e in altre attività all’aperto (27%).

Vengono fornite indicazioni sull’affidabilità degli indicatori di prestazione basati sui sensori, insieme a considerazioni critiche e tendenze future.

Distribuzione di recensioni e articoli nella revisione sistematica su riviste (in %) e in tempo

Questa recensione dimostra che la tecnologia magneto-inerziale, che sta guadagnando continuamente slancio nella biomeccanica sportiva, è uno strumento affidabile in grado di avvantaggiare gli atleti di tutti i livelli, specialmente se integrati in una rete di fusione di sensori.

Ciò può alla fine estendere e migliorare la carriera degli atleti attraverso una migliore prevenzione degli infortuni e specificità di allenamento.

Mentre questa affidabilità è pienamente sfruttata in laboratorio, deve esserci un compromesso tra il potenziale della tecnologia e la praticità sul campo.

Quando questo compromesso non viene raggiunto, principalmente a causa della mancanza di un’adeguata standardizzazione dell’acquisizione dei dati e degli strumenti per l’analisi successiva, la tecnologia potrebbe risentire di bassi tassi di utilizzo tra gli allenatori.

Una migliore collaborazione tra il biomeccanico sportivo e il professionista faciliterebbe il superamento di questo problema.

La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla facilità d’uso e su una migliore compensazione degli errori e procedure di analisi in grado di fornire agli istruttori metriche informative, concise e facili da interpretare.

Quanto sono attendibili queste tecnologie che si indossano?

Nonostante il crescente interesse per la quantificazione del carico, la pratica e la ricerca hanno valutato principalmente ciò che è facile da misurare e non hanno utilizzato un approccio olistico, con particolare riferimento alle risposte biologiche. I risultati attuali suggeriscono che molti parametri di carico interni ed esterni possono essere misurati utilizzando la tecnologia portatile con relativa precisione e affidabilità.

Tuttavia, è importante notare che molti produttori non forniscono informazioni sull’accuratezza, validità e affidabilità delle loro apparecchiature o danno accesso a dati grezzi per ulteriori analisi.

Per questo motivo, non è possibile fare generalizzazioni sulla precisione ed utilità della tecnologia utilizzata o del metodo scelto, e le conclusioni degli studi di ricerca dovrebbero essere sempre specifiche e dovremmo sempre prestare attenzione all’interpretazione dei dati.

Inoltre, con più dati, è necessario sviluppare database e sistemi di tracciamento facili da usare, in modo che gli atleti siano in grado di gestire, comprendere ed archiviare i dati in modo sicuro.

Infine, questi sistemi dovrebbero essere in grado di generare report rapidi e significativi, oltre a consentire attività di analisi dei dati per facilitare e ottimizzare il processo decisionale sul campo.

Che cosa devo sapere prima di scegliere un dispositivo indossabile?

  • Si devono conoscere i limiti di ciascun dispositivo e metodo utilizzato, e devono essere sviluppati meglio gli standard per garantire che la qualità dei dati generati dai dispositivi di misurazione sia sufficientemente elevata;
  • Gli studi dovrebbero dare informazioni sui dettagli delle versioni hardware e software utilizzate e restringere il significato dei risultati alle versioni utilizzate nella raccolta dei dati;
  • Sono necessari ulteriori studi longitudinali che forniscano agli allenatori sportivi e agli scienziati parametri di riferimento relativi ai carichi di allenamento interni ed esterni su più popolazioni;
  • Sebbene la scelta dei sistemi sia molto ampia, si dovrebbero utilizzare solo quelli che possono influenzare il programma di allenamento costruito.

Andrea Nonnato

Bibliografia:

  1. Bunn et al., Current State of Commercial Wearable Technology in Physical Activity Monitoring 2015-2017, Int J Exerc Sci 11(7): 503-515; 2018
  2. McCallum et al., Evaluating the Impact of Physical Activity Apps and Wearables: Interdisciplinary Review, JMIR Mhealth Uhealth, vol. 6, iss. 3, e58, p.1; 2018
  3. Camomilla el al., Trends Supporting the In-Field Use of Wearable Inertial Sensors for Sport Performance Evaluation: A Systematic Review, Sensors, 18, 873; 2018
  4. The Guardian 2017, 10 most influential wearable devices
  5. Cardinale M. and Varley M.C., Wearable Training-Monitoring Technology: Applications, Challenges, and Opportunities, International Journal of Sports Physiology and Performance 12, S2-55 -S2-62; 2017

 

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