Epidemiology and predictive models of injuries in professional soccer

espanolRESUMEN El futbol requiere que sus practicantes lleven a cabo un gran numero de movimientos repetidos y de alta intensidad, tales como aceleraciones y desaceleraciones subitas, rapidos cambios de direccion, saltos y caidas; asi como muchas situaciones en las que los jugadores estan involucrados en luchas por mantener o ganar el balon. A nivel profesional, la combinacion de estas altas demandas fisicas junto al estres y ansiedad generada por el intenso calendario competitivo pueden colocar a los jugadores en una situacion de alto riesgo de lesion. De hecho, el futbol es uno de los deportes de equipo con mayores tasas de incidencia de lesiones, todo ello a pesar del sustantivo esfuerzo que en los ultimos anos ha realizado la comunidad cientifica y los profesionales de la preparacion fisica para tratar de reducir el numero e impacto de estas. La ineficacia de las medidas preventivas aplicadas hasta la fecha podria deberse, en parte, a las limitaciones que existen en la literatura cientifica y que dificultan: a) la estimacion precisa de las lesiones mas frecuentes en el futbol; b) la identificacion de deportistas profesionales en situacion de alto riesgo de lesion; y c) el diseno de programas de intervencion neuromuscular efectivos. Por lo tanto, y en base a estas limitaciones, los objetivos principales de esta tesis doctoral fueron: 1) llevar a cabo una revision sistematica y un meta-analisis inedito sobre epidemiologia de lesiones en futbol profesional masculino; 2) describir el perfil de rango de movimiento de las principales articulaciones de la extremidad inferior en jugadores de futbol profesional; 3) analizar y comparar la habilidad predictiva de un numero importante de algoritmos de aprendizaje, fundamentados en arboles de decision, con el fin de seleccionar el mejor modelo basado en factores de riesgo para identificar jugadores en situacion de alto riesgo de lesion muscular de la extremidad inferior o de isquiosural; y 4) analizar las relaciones entre determinados parametros del rendimiento neuromuscular con el equilibrio dinamico unipodal en dicha muestra de deportistas. Con el proposito de conseguir estos objetivos, se realizo un estudio meta-analitico, dos estudios prospectivos de cohortes, un estudio descriptivo y un estudio correlacional. Los principales hallazgos del primer estudio informan de que los jugadores profesionales de futbol estan expuestos a un riesgo alto de sufrir lesiones, especialmente durante los partidos (32.9 lesiones por cada 1000 horas de exposicion). En particular, la extremidad inferior es la mas lesionada, siendo el muslo la region anatomica donde mas lesiones se producen. Asimismo, el tipo de lesion mas frecuente es la musculo/tendinosa. Por su parte, los resultados del estudio dos muestran la necesidad de prescribir ejercicios destinados a mejorar el rango de movimiento de la flexion de la cadera con rodilla extendida y la flexion dorsal del tobillo con rodilla flexionada durante las sesiones de entrenamiento de futbol. Ademas, y dado que los desequilibrios bilaterales del rango de movimiento son frecuentes, el entrenamiento unilateral deberia implementarse en caso de ser necesario. Los estudios tres y cuatro presentan dos modelos basados en factores de riesgo (personales, psicologicos y neuromusculares) que permiten identificar a jugadores en situacion de alto riesgo de lesion muscular de la extremidad inferior (area bajo la curva caracteristica operativa del receptor = 0.747) y de la musculatura isquiosural (area bajo la curva caracteristica operativa del receptor = 0.867), respectivamente. Ambos modelos estan dirigidos por el algoritmo de decision de arbol alternativo adaptado a un coste especifico a favor de la clase minoritaria y modelado en un proceso de ensamblaje (SmooteBoost). Finalmente, los hallazgos del estudio numero cinco indican que a pesar de que los hombres y mujeres futbolistas obtienen similares resultados de equilibrio dinamico unipodal, diferentes parametros del rendimiento neuromuscular parecen influir en esta habilidad. Asi, y para los hombres, las variables relacionadas con patrones de movimiento en el plano sagital (rango de movimiento de la flexion de cadera y tobillo) fueron importantes para el equilibrio dinamico. Sin embargo, y para las mujeres, las variables relacionadas con patrones de movimiento en el plano frontal (estabilidad del tronco, fuerza y rango de movimiento de la abduccion de cadera) fueron consideradas variables predictoras de dicha habilidad. De este modo, tanto los resultados como la metodologia aplicada en la presente tesis doctoral podrian ser utilizados por entrenadores, preparadores fisicos y medicos especialistas para mejorar el proceso de toma de decisiones a la hora de reducir el numero e impacto de las lesiones en el futbol profesional. Palabras clave: lesion, prevencion, desgarro isquiosurales, lesion muscular, algoritmos de aprendizaje, mineria de datos, estabilidad dinamica, estabilidad del tronco, rendimiento, rango de movimiento. EnglishABSTRACT Soccer (also known as football) requires players to perform many repeated high intensity movements such as sudden acceleration and deceleration, rapid changes of direction, jumping and landing tasks; as well as many situations in which players are involved in tackling to keep possession of or to win the ball. At professional level, the combination of these high physical demands alongside stress and anxiety caused by the congested match calendar may place players at high risk of injury. In fact, soccer is one of the sports with higher injury incidence rates, 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 scientific literature which hinder: a) the accurate estimation of the most frequent soccer-related injuries; b) the identification of professional athletes at high risk of injury; and c) the design of effective neuromuscular training interventions. Therefore, and based on these limitations, the main objectives of the current doctoral thesis were: 1) to carry out a systematic review and a novel meta-analysis of epidemiological data of injuries in professional male soccer; 2) to describe the lower extremity joint ranges of motion profile in professional soccer players; 3) to analyse and compare the behaviour of some machine learning methods in order to select the best performing injury risk factor model to identify professional athletes at risk of lower extremity muscle injuries and hamstring strains; and 4) to analyse the relationships between several parameters of neuromuscular performance with unilateral dynamic balance in such cohort of athletes. To achieve these objectives, a systematic literature review and meta-analysis, a descriptive study, two prospective cohort studies, and a correlational study were conducted. The main findings of the first study report that professional male soccer players are exposed to a substantial risk of sustaining injuries, especially during matches (32.9 injuries per 1000 hours of player exposure). In particular, the lower extremity is the most frequently injured part of the body, being the thigh the anatomical region in which injuries occurs more. Likewise, the most common type of injury is muscle/tendon strains. On the other hand, the results of study two show the necessity of prescribing exercises aimed at improving hip flexion with knee extended and ankle dorsiflexion with knee flexed ranges of motion within soccer training routines. In addition, as some bilateral deficits were observed, unilateral training should be considered where appropriate. Studies three and four present two different injury risk factor models (personal, psychological and neuromuscular risk factors) to identify players at high risk of lower extremity muscle injuries (area under the receiver operating characteristic curve = 0.747) and hamstring strains (area under the receiver operating characteristic curve = 0.867), respectively. Both models are generated by the SmooteBoost technique with a cost-sensitive alternating decision tree as base classifiers. Finally, the findings of study five indicate that, although male and female professional soccer players report similar unilateral dynamic balance scores, but different measures of neuromuscular performance seem to have influenced this fundamental ability. Thus, for males, those variables related to movement patterns in the sagittal plane (hip flexion and ankle dorsiflexion range of motion measures) were important in the overall balance score obtained. However, for females, variables related to the performance of movement patterns in the frontal plane (such as core stability and hip abduction strength and range of motion) were considered predictor variables of this ability. 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 professional soccer. Keywords: football, injury, prevention, hamstring strain, muscle injury, learning algorithm, data mining, dynamic balance, core stability, performance, range of motion.