Epidemiology and prediction models of injuries in elite futsal

Abstract

Futsal (the five-a-side indoor version of associated football) requires players to perform on a reduced (usually indoor) pitch size (40 x 20 m) and during two x 20-minute periods (with time stopping at every dead ball and unlimited substitutions) a substantive number of repeated high intensity multiplanar movements such as sudden acceleration and deceleration, rapid changes of direction, tackling and kicking. At elite levels, the combination of these high physical demands alongside exposure to contacts and stress and anxiety caused by the congested match calendar might place futsal players at high risk of injury. In fact, futsal has been suggested as one of the top 10 most injury prone sports, all of this despite the substantive effort made by the scientific community and physical trainer practitioners to reduce their number and severity. The inefficacy of the preventive measures applied might be caused, in part, by the limitations present in the literature which hinder: a) the accurate estimation of the most frequent futsal-related injuries; b) the identification of team sport athletes at high risk of injury; and c) the identification of the factors and their interactions that play a main role on the adoption of altered movement patterns during dynamic actions. Therefore, and based on these limitations, the main objectives of the current doctoral thesis were: 1) to describe injury incidence, characteristics and burden in futsal; 2) to examine the criterion-related validity of five kinematic measures of frontal plane knee alignment and hip and knee motion in the sagittal plane using a 2D video analysis and a 3D motion analysis system during bilateral drop landings through a contemporary statistical approach; 3) to analyze and compare the individual and combined ability of several measures obtained from different questionnaires and field-based tests to prospectively predict lower extremity soft-tissue injuries after having applied supervised Machine Learning techniques; and 4) to analyze the relationships between several parameters of neuromuscular performance with dynamic postural control using a Bayesian Network Classifiers based analysis. To achieve these objectives, a systematic literature review and meta-analysis, a prospective epidemiological study, a validation study and two multivariable prediction model studies were conducted. The main findings of the studies one and two report that male and female futsal players are exposed to a substantial risk of sustaining injuries, especially during matches. In particular, and in both sexes, lower extremity injuries are, by far, the most frequent. Although the most common injury mechanism reported was by non-contact, it should be highlighted that a remarkable number of injuries (around 30%) were caused by a contact mechanism. For females, the injuries with the highest injury burden were those that occurred at the knee (31.9 days loss per 1000 hours of futsal exposure), followed by quadriceps (15.3 days loss per 1000 hours of futsal exposure) and hamstring (14.4 days loss per 1000 hours of futsal exposure) strains. On the other hand, the results of study three confirm that the knee medial displacement (standardized TEEST = 0.53 [small], r = 0.88 [moderate to high], kappa statistic = 0.72 [high]) and knee flexion range of motion (standardized TEEST = 0.56 [small], r = 0.87 [moderate to high], kappa statistic = 0.74 [high]) measures calculated during a bilateral drop vertical landing and using a cost-effective, technically undemanding and portable 2D video analysis procedure might be considered as valid and feasible alternatives to their respective 3D criterion to quantify knee kinematics and to detect futsal players who demonstrated aberrant movement patterns in the frontal and sagittal planes, respectively. Study four demonstrated that lower extremity soft-tissue injuries can be predicted with moderate accuracy through a combination of easy to employ field-based tests in elite futsal players using machine learning techniques. The best performing model, which was built with just four ROM measures, reported an area under the curve score of 0.767 with true positive and negative rates of 85.1% and 62.1% respectively. Finally, the Bayesian network built in study five showed that dynamic postural control has strong relationship with the abilities to flex the hip, knee and ankle, and with the control of the core structures during static but mainly dynamic tasks. Overall, both the results and methodology used in the present doctoral thesis might be used by coaches, physical trainers and clinicians to improve the decision-making process to reduce the number and impact of injuries in futsal.

El fútbol sala (versión para cinco jugadores del fútbol) requiere que los jugadores realicen, en un campo de tamaño reducido (generalmente en interiores) (40 x 20 m) y durante dos períodos de 20 minutos (con tiempo detenido cada vez que se para el balón y con sustituciones ilimitadas), un gran número de movimientos repetidos de alta intensidad tales como aceleraciones y desaceleraciones repentinas, cambios rápidos de dirección, entradas y golpeos. A nivel de élite, la combinación de estas altas demandas físicas, junto con la exposición a los contactos, el estrés y la ansiedad causados por el calendario congestionado de partidos podría situar a los jugadores de fútbol sala en un alto riesgo de lesión. De hecho, el fútbol sala ha sido descrito como uno de los diez deportes con mayor riesgo lesivo para sus jugadores. Todo esto a pesar del gran esfuerzo realizado por la comunidad científica y los preparadores físicos para reducir el número y gravedad de estas lesiones. La ineficacia de las medidas preventivas aplicadas podría deberse, en parte, a las limitaciones presentes en la literatura científica que dificultan: a) la estimación precisa de las lesiones, más frecuente en el fútbol sala; b) la identificación de atletas de deportes de equipo con alto riesgo de lesiones; c) la identificación de los factores y sus interacciones que juegan un papel principal en la adopción de patrones de movimiento alterados durante las acciones dinámicas. Por lo tanto, y en base a estas limitaciones, los objetivos principales de la presente tesis doctoral fueron: 1) describir la incidencia, las características y las consecuencias (entendidas en días perdidos sin entrenar y jugar por lesión por cada 1000 horas de exposición a la práctica deportiva) de las lesiones en el fútbol sala; 2) examinar la validez de criterio de cinco medidas cinemáticas de la alineación de la rodilla en el plano frontal y el movimiento de la cadera y la rodilla en el plano sagital utilizando un análisis de video 2D y un sistema de análisis de movimiento 3D durante los aterrizajes tras caída bilateral desde cajón a través de un enfoque estadístico contemporáneo; 3) analizar y comparar la capacidad individual y combinada de varias medidas obtenidas de diferentes cuestionarios y pruebas de campo para predecir prospectivamente las lesiones de tejido blando de las extremidades inferiores después de haber aplicado técnicas supervisadas de Aprendizaje Automático; y 4) analizar las relaciones entre varios parámetros del rendimiento neuromuscular con el control postural dinámico utilizando un análisis basado en clasificadores de Redes Bayesianas. Para lograr estos objetivos, se realizó una revisión sistemática de la literatura y un meta-análisis, un estudio epidemiológico prospectivo, un estudio de validación y dos estudios de modelos de predicción multivariantes. Los principales hallazgos de los estudios uno y dos informan que los jugadores de fútbol sala masculinos y femeninos están expuestos a un gran riesgo de sufrir lesiones, especialmente durante los partidos. En particular, y en ambos sexos, las lesiones de las extremidades inferiores son, con diferencia, las más frecuentes. Aunque el mecanismo de lesión más común fue por no contacto, debe destacarse que un número remarcable de lesiones (alrededor del 30%) fueron causadas por un mecanismo de contacto. Para las mujeres, las lesiones con las mayores consecuencias fueron las de rodilla (pérdida de 31.9 días por 1000 horas de exposición al fútbol sala), seguidas de cuádriceps (pérdida de 15.3 días por 1000 horas de exposición al fútbol sala) e isquiosurales (14.4 días de pérdida por 1000 horas de exposición al fútbol sala). Por otro lado, los resultados del estudio tres confirman que el desplazamiento medial de la rodilla (Error típico estimado estandarizado = 0.53 [pequeño], r = 0.88 [moderado a alto], estadística kappa = 0.72 [alto]) y rango de movimiento de flexión de rodilla ( Error típico estimado estandarizado = 0.56 [pequeño], r = 0.87 [moderado a alto], estadística kappa = 0.74 [alto]) calculados durante un aterrizaje vertical tras caída bilateral desde cajón y el uso de un procedimiento de análisis de video 2D económico, técnicamente poco exigente y portátil podrían ser consideradas alternativas válidas y factibles a sus respectivos criterios 3D para cuantificar la cinemática de la rodilla y detectar jugadores de fútbol sala con patrones de movimiento alterados en los planos frontal y sagital, respectivamente. El estudio cuatro demostró que las lesiones de tejido blando de las extremidades inferiores se pueden predecir con una precisión moderada a través de una combinación de pruebas de campo fáciles de emplear en jugadores de fútbol sala de élite a través de técnicas de Aprendizaje Automático. El modelo que mejor resultado mostró, construido con solo cuatro medidas de Rango de Movilidad Articular, reportó un área bajo la curva de 0.767 con tasas de verdaderos positivos y negativos de 85.1% y 62.1% respectivamente. Finalmente, la red bayesiana construida en el estudio cinco mostró que el control postural dinámico tiene una fuerte relación con las habilidades para flexionar la cadera, la rodilla y el tobillo, y con el control de las estructuras del tronco durante tareas estáticas, pero sobre todo dinámicas. En general, tanto los resultados como la metodología utilizada en la presente tesis doctoral pueden ser utilizados por entrenadores, preparadores físicos y médicos para mejorar el proceso de toma de decisiones, y así, reducir el número y el impacto de las lesiones en el fútbol sala.