Ottimizzazione della biomeccanica nel ciclismo – Bike Fitting (R)Evolution

Il bike fitting (configurazione della bicicletta) è definito come “il processo dettagliato di valutazione dei requisiti fisici e di performance del ciclista e di adattamento sistematico della bicicletta per soddisfare gli obiettivi e le esigenze del ciclista”. La configurazione della bicicletta può avere un’influenza sulla percezione del comfort e sulle prestazioni, infatti i ciclisti ricercano da sempre la posizione ottimale sulla bicicletta per ottenere potenza evitando infortuni, molto prima che la scienza si evolvesse.

Il settore del bike fitting è cresciuto in modo esponenziale, offrendo opportunità di lavoro a molti, indipendentemente da capacità, conoscenze o competenze. A questo proposito è stato creato l’International Bicycle Fitting Institute nel 2014, che agisce come organizzazione internazionale per sviluppare uno standard globale per l’industria del bike fitting e proteggere non solo i professionisti qualificati, ma anche i ciclisti, assicurando che ricevano le competenze, le capacità e i servizi che si aspettano.

Con il progresso della tecnologia, negli ultimi 5-10 anni si sono sviluppati notevolmente nuovi metodi per ottimizzare la configurazione delle biciclette: mentre i metodi precedenti si limitavano a formule aneddotiche per valutare l’altezza della sella e altri parametri di adattamento, basati su valutazione della cinematica statica o bidimensionale (2D), l’avvento della cinematica tridimensionale (3D), la tecnologia di mappatura della pressione e, più recentemente, i sensori di movimento inerziale hanno permesso alla configurazione della bicicletta di adottare un approccio progressivamente più scientifico rispetto all'”arte” dei primi tempi del ciclismo.

Numerosi studi hanno indagato l’altezza ottimale della sella per le prestazioni e la prevenzione degli infortuni, utilizzando nella maggior parte dei casi metodi cinematici statici, ma la sella costituisce solo uno dei tre punti di contatto del ciclista con la bicicletta, mentre il corretto posizionamento di manubrio, pedivelle e pedali, che possono essere regolati per ottimizzare la posizione del ciclista, si basa esclusivamente su preferenze e opinioni personali e non su evidenze.

Il motion capture 3D permette attualmente ai professionisti del settore di valutare in modo dinamico la posizione del ciclista e ottenere dati più rilevanti rispetto ai metodi statici, anche se la maggior parte degli strumenti cinematici dinamici non sono stati ancora valutati rispetto a validità e affidabilità. Questa revisione della letteratura indaga la ricerca attuale relativa alla configurazione di tutti i componenti della bicicletta, dai metodi statici a quelli dinamici, relativamente a prestazioni ottimali e prevenzione degli infortuni.

Configurazione statica ottimale dell’altezza della sella per prestazioni e prevenzione degli infortuni

Una serie di studi ha valutato la configurazione dell’altezza ottimale della sella, ma per decenni sono stati utilizzati dai ciclisti metodi empirici di impostazione dell’altezza della sella. Uno dei metodi più semplici che può essere utilizzato anche con limitate conoscenze tecnologiche o attrezzature, è noto come metodo “heel-toe”: con il ciclista seduto sulla sella e tallone posizionato con il pedale sul punto morto inferiore (BDC), l’altezza della sella viene regolata fino a quando il ginocchio non viene bloccato in estensione. Greg LeMond, famoso ciclista e poi allenatore, regolava la sella all’altezza del cavallo moltiplicata per 0,883, metodo che è stato testato in galleria del vento e molto popolare all’epoca, ma con nuove attrezzature, come i pedali clipless, ora piuttosto antiquato.

Hamley e Thomas, probabilmente i primi a pubblicare raccomandazioni scientifiche sull’altezza della sella, hanno proposto che per una performance ottimale l’altezza della sella dovrebbe essere regolata in modo tale che la distanza dal pedale alla parte superiore della sella dovrebbe corrispondere ad un valore pari al 109% dell’altezza del cavallo, di conseguenza è stato pubblicato un metodo per impostare l’altezza della sella in base alla lunghezza della gamba al trocantere. L’effetto delle variazioni dell’altezza della sella sul consumo di ossigeno è stato studiato durante un protocollo di lavoro continuo da 50 a 200 W, con cinque diverse altezze di sella testate: la conclusione è stata che un’altezza della sella del 100% o del 103% della lunghezza della gamba al trocantere era la più efficiente, e si è raccomandato un intervallo dal 103% al 104% dell’altezza al trocantere per ottimizzare le prestazioni. Uno studio simile ha esaminato le altezze di sella configurate al 95%, 100% e 105% dell’altezza al trocantere: è stato determinato che la sella configurata al 100% dell’altezza al trocantere era la più efficace.

Da allora, gli studi si sono concentrati su vari metodi sperimentali di regolazione dell’altezza della sella per ottimizzare l’attività muscolare o le forze di compressione sul ginocchio. Probabilmente il metodo più comunemente usato fino ad oggi è il Metodo Holmes, che raccomanda di impostare l’angolo di flessione del ginocchio (KFA) tra 25° e 35° per limitare gli infortuni del ginocchio da overuse. Un KFA eccessivo può aumentare lo stress sull’articolazione femororotulea, mentre un’eccessiva altezza della sella può portare a stress sulla catena posteriore e conseguenti lesioni degli hamstring, o causare compensi a livello pelvico, predisponendo a indolenzimento ischiatico o dolore lombare, oppure un’eccessiva flessione plantare della caviglia può causare infortuni a livello del tendine d’Achille. Il KFA è misurato con un goniometro (GM), con il ciclista in posizione stazionaria, pedale in posizione orizzontale e pedivella nella posizione più bassa o a ore 6 e la superficie del pedale in posizione orizzontale (per standardizzare la posizione dell’articolazione della caviglia), nota anche come posizione Bottom Dead Centre (BDC – Punto morto inferiore), una misurazione facile ed economica da eseguire.

Peveler ha confrontato vari metodi di regolazione dell’altezza della sella: il cavallo della gamba è stato misurato e utilizzato per regolare la sella secondo il metodo Hamley (cavallo x 1,09) e il metodo LeMond (cavallo x 0,883), in seguito la sella è stata configurata secondo il metodo “heel-toe” descritto in precedenza. In ognuna di queste posizioni, il KFA è stato misurato per confrontarlo con il metodo Holmes (KFA da 25° a 35°) e i primi tre metodi rientrano nella raccomandazione di Holmes dal 55% al 70% delle volte. La conclusione è che per i ciclisti che non sono soggetti a infortuni al ginocchio, l’altezza della sella deve essere fissata al 109% dell’altezza del cavallo per una prestazione ottimale, per quelli che invece possono essere soggetti a infortuni deve rimanere all’interno di un range di 25°-35° KFA.

In un ulteriore studio Peveler ha indagato l’effetto dell’altezza della sella sulla produzione di potenza anaerobica: sono stati confrontati i metodi Hamley e Holmes, con il protocollo ripetuto a tre altezze di sella, a 25° KFA e 35° KFA e al 109% dell’altezza del cavallo: non è stata riscontrata alcuna differenza significativa tra i gruppi per la potenza di picco o la potenza media. Un’ulteriore analisi è stata fatta dividendo i soggetti in quelli che rientravano nei raccomandati 25°-35° KFA e quelli che cadevano al di fuori del range raccomandato quando si utilizzava il metodo dell’altezza della sella al 109% dell’altezza del cavallo: c’è stata una perdita generale di potenza in quelli che ricadevano al di fuori del range raccomandato, specialmente ad altezze di sella che comportavano un KFA superiore a 35°, mentre non c’è stata una differenza significativa tra le altezze di sella con meno di 25° KFA. In uno studio di follow-up, il VO2 era significativamente più basso a 25° KFA (che segnala una maggiore economia) rispetto a 35° KFA o al 109% dell’altezza del cavallo, e in un ulteriore studio, un’altezza della sella impostata a 25° KFA è risultata più economica rispetto ad un’altezza della sella impostata a 35° KFA o al 109% dell’altezza del cavallo. Grazie a questa serie di studi è stato dimostrato che impostare l’altezza della sella con un metodo statico a 25°-35° KFA è ottimale per la prevenzione degli infortuni e la performance, ed è raccomandato di utilizzare un KFA più vicino a 25° per migliorare le prestazioni.

Raccomandazioni cinematiche statiche per tutte le articolazioni del corpo e i componenti della bicicletta

Se per ottimizzare le performance e prevenire gli infortuni, è stato raccomandato di impostare l’altezza della sella con tecniche statiche ad un KFA da 25° a 35° quando la pedivella è in posizione BDC, ad oggi non ci sono ricerche riguardo i range ottimali per le altre articolazioni del corpo, e anche se ci sono linee guida per caviglia e gomito, si basano su opinioni personali e non su dati scientifici. Sono state analizzate formule complicate per determinare arretramento della sella, reach e drop del manubrio, tuttavia la maggior parte degli esperti di bike fitting suggeriva che la posizione finale dovrebbe essere basata sul comfort e su ciò che è considerato “visivamente accettabile”, ma il limite evidente è che non si tiene conto dell’antropometria individuale, della flessibilità, del carico di allenamento e della storia, né della disciplina specifica di ciclismo o di risultati oggettivamente quantificabili.

È noto che un eccessivo reach o drop del manubrio può causare infortuni da overuse nei ciclisti, in quanto richiedono una maggior flessione lombare predisponendo al rischio di lombalgia, e Inn maniera simile un arretramento della sella scorretto può causare infortuni a causa di alterazioi nei pattern di reclutamento muscolare o del ROM dell’articolazione del ginocchio. Tuttavia, attualmente non esistono studi scientifici che guidino le norme generali per questi parametri né per le articolazioni diverse dal ginocchio mentre si è in bicicletta.

Holliday ha confrontato la cinematica statica con la cinematica 3D e pubblicato valori medi degli angolo delle articolazioni di caviglia, ginocchio, anca, spalla e gomito per GM, inclinometro digitale (IM) e cinematica 3D per un gruppo di 19 ciclisti maschi ben allenati: le misurazioni degli angoli articolari di anca e spalla rispetto ai segmenti dela colonna vertebrale lombare e toracica superiore rappresentano gli unici dati precisi statici e dinamici per queste articolazioni. In ogni caso sono necessarie ulteriori ricerche con coorte più ampie e che comprendano anche atleti amatoriali per stabilire valori più accurati.

Cinematica dinamica e nuove tecnologie della biomeccanica nel ciclismo

Prima dell’anno 2000, gli studi dinamici avevano usato esclusivamente analisi fotografica o video per la valutazione dinamica e la maggior parte degli studi aveva valutato solo la cinematica sul piano sagittale. La cinematica misurata in 3D è considerata più accurata rispetto ai sistemi 2D, che non possono misurare il movimento nel piano assiale, ma i sistemi cinematici 3D non sono stati utilizzati nella pratica a causa delle loro spese, anche se stanno diventando disponibili sistemi di acquisizione del movimento 2D o 3D più nuovi, economici e di alta qualità.

Recentemente sono state valutate affidabilità e validità dei sistemi cinematici 3D per il ciclismo rispetto alle tecniche statiche: sono state effettuate misure statiche con GM e IM standard, e dinamicamente con sistema di motion capture 3D a 8 telecamere e tutti e tre gli strumenti sono stati giudicati validi e affidabili con un basso errore tipico di misura (TEM) per tutti le articolazioni misurate, dimostrando una correlazione positiva tra le misure GM e IM per tutte le articolazioni.

L’analisi del movimento 3D utilizza diversi punti di riferimento per la maggior parte delle articolazioni e produce valori diversi per tutte le articolazioni ad eccezione del ginocchio, della spalla e del gomito, particolarmente rilevante per l’articolazione dell’anca ad esempio, i cui l’acquisizione del movimento 3D utilizza una linea perpendicolare che biseca la spina iliaca anteriore superiore e la spina iliaca posteriore superiore e una linea che biseca il centro dell’articolazione del ginocchio e il gran trocantere perdeterminare l’angolo di flessione dell’anca, mentre le misure statiche dell’articolazione dell’anca definiscono questo angolo come l’angolo sotteso dall’area che si espande sotto la cresta iliaca dalla terza vertebra lombare all’osso sacro alla linea che biseca il gran trocantere e il condilo femorale laterale.

I muscoli che attraversano questa articolazione sono uno dei principali fattori che contribuiscono alla produzione di potenza nel ciclismo. Uno studio ha dimostrato che la cinematica alterata si verifica nella colonna vertebrale lombare e toracica con intensità crescente, mentre metodi dinamici di valutazione degli angoli dell’anca e delle spalle sono stati precedentemente misurati con metodi semplicistici, non tenendo in considerazione la flessione lombare e sottovalutando sia la flessione dell’anca che quella della spalla e non rilevando i cambiamenti che si verificano in queste articolazioni con variazioni di intensità. È quindi importante che future ricerche che utilizzano il motion capture 2D e 3D sviluppino valori di riferimento per tutte le articolazioni in base al relativo carico di lavoro per aiutare la configurazione della bicicletta.

Con i progressi della tecnologia ora è possibile anche effettuare misurazioni della pressione nell’interfaccia tra ciclista e sella, nonché in altre aree di contatto, con affidabilità e validità precedentemente determinate. La sella è tipicamente divisa in tre zone per differenziare la parte anteriore e posteriore sinistra e destra ed è stato concluso che l’affidabilità interna al processo è eccellente sia per i valori di pressione media che per i picchi di pressione, le pressioni della sella tra una prova e l’altra hanno mostrato un’affidabilità da moderata ad eccellente per tutte le aree della sella, ad eccezione della pressione sulla parte anteriore, che ha mostrato scarsa affidabilità. Attualmente non sono stati condotti studi per valutare come i cambiamenti nella configurazione della bicicletta influenzino gli indici di pressione della sella e non ci sono norme definite per queste variabili.

La mappatura della pressione è ulteriormente migliorata includendo la valutazione dinamica della pressione sul manubrio e dei piedi, permettendo di valutare tutti i punti di contatto contemporaneamente e di fornire una visione d’insieme degli interventi, come plantari interni personalizzati e ortesi, anche se non esistono studi di validità o di affidabilità né dati normativi che guidino l’uso di questi nuovi strumenti.

Cambiamenti nella cinematica degli arti inferiori con l’intensità

Aumentando l’uso dei metodi di bike fitting dinamico, è importante stabilire nuovi range normativi per gli angoli articolari, poiché le misure statiche non sempre concordano con le misure dinamiche. La cinematica delle articolazioni di ginocchio e caviglia cambia significativamente da una posizione statica ad un’azione di pedalata: l’angolo statico della caviglia è significativamente più basso rispetto ai tre livelli attivi, così come il KFA statico, inoltre è stato dimostrato un aumento della dorsiflessione della caviglia e dell’estensione del ginocchio ad una maggiore intensità di pedalata. Confrontando le misure statiche con quelle dinamiche degli angoli articolari degli arti inferiori nel ciclismo con l’utilizzo della fotogrammetria con marcatori riflettenti per l’analisi 3D ed è stato analizzato il metodo Holmes per le misure statiche: la flessione plantare della caviglia e il KFA sono aumentati di 8° dalle misure statiche a quelle dinamiche ed è evidente che le alterazioni degli angoli di ginocchio e caviglia si verificano durante la pedalata attiva e che questi angoli si alterano con l’aumento della resistenza alla pedalata, e ,quindi, un KFA dinamico in posizione BDC da 30° a 40° è stato raccomandato.

Un movimento nella dorsiflessione della caviglia può aumentare la stabilità intorno all’articolazione della caviglia per trasferire efficacemente la forza ai pedali e mantenere la potenza prodotta o aumentare la tensione passiva nell’unità miotendinea per aiutare il trasferimento della forza e poiché i punti di contatto della bicicletta sono fissi, questo aumento della dorsiflessione della caviglia aumenta l’estensione del ginocchio. Sulla base di questi risultati, diversi autori hanno suggerito che l’analisi cinematica piuttosto che quella statica dovrebbe essere utilizzata per descrivere adeguatamente il movimento degli arti inferiori della bicicletta e per ottimizzare il bike fitting.

Un recente studio ha valutato la cinematica 3D dell’intero corpo di ciclisti ben allenati a tre diverse intensità di esercizio: 60%, 80% e 90% della frequenza cardiaca massima: la dorsiflessione di caviglia e l’estensione del ginocchio sono aumentate con intensità più elevate, mentre gomito e segmenti lombare e toracico adottavano una posizione più flessa. La differenza media di KFA in dinamica dal 60% al 90% di intensità è stata di 2,67°, dato ben correlato con le differenze di KFA tra le misurazioni statiche e dinamiche della flessione di ginocchio, che vanno da 5° a 8°. A carichi di lavoro corrispondenti a circa il 60% di PPO, la differenza tra KFA statico (metodo Holmes) e dinamico sarebbe di circa 8°, mentre a quasi la massima intensità, l’aumento progressivo della dorsiflessione della caviglia ridurrebbe questa differenza a circa 5°: è quindi possibile dedurre che il KFA ottimale in posizione BDC con misure dinamiche dovrebbe andare da 33° a 43° a bassa intensità e da 30° a 40° ad alta intensità.

Cambiamenti nella cinematica dell’intero corpo con l’intensità

Un maggiore range di movimento della caviglia e una posizione del corpo più in avanti sono stati osservati a carico di lavoro massimo rispetto a carichi di lavoro inferiori, dimostrazione che atleti e non atleti si muovono in avanti sulla sella durante i test, cercando intuitivamente una posizione più ottimale all’aumentare del carico di lavoro (ricerca condotta utilizzando cinematica 2D sul piano sagittale).

Uno studio ha valutato la cinematica 3D e analizzato adduzione dell’anca, rotazione della coscia, rotazione della tibia, inclinazione del bacino e inclinazione e rotazione della colonna vertebrale: il risultato è stato una differenza da piccola a moderata tra inclinazione laterale della colonna vertebrale e rotazione della colonna vertebrale tra ciclisti ricreativi e agonisti. Un altro studio ha valutato la cinematica 3D dell’intero corpo a tre intensità e ha dimostrato che la dorsiflessione di caviglia e l’estensione di ginocchio aumentano con intensità più elevate, mentre gomito, tratti lombare e toracico adottano una posizione più flessa, senza cambiamenti negli angoli dell’anca e della spalla, dato differente dagli studi precedenti che avevano dimostrato che l’estensione dell’anca aumenta con incrementi della pedalata, anche se in questi studi l’angolo dell’anca era stato misurato in maniera troppo semplicistica e non tenendo conto della rotazione pelvica o della flessione lombare e toracica. L’angolo di inclinazione toracica cambiava significativamente tra tutte e tre le intensità, confermando un cambiamento significativo nella posizione del corpo in avanti sulla bicicletta alla massima potenza, ed è stato suggerito che i ciclisti aumentano l’inclinazione del tronco in risposta all’affaticamento muscolare, con i cambiamenti dell’EMG che precedono i cambiamenti dell’angolo medio di inclinazione del tronco. L’aumento dell’angolo di inclinazione del tronco probabilmente permette di aumentare della lunghezza dei muscoli estensori di anca e ridurre il momento flessorio del ginocchio.

Holliday ha fornito i valori di riferimento cinematici 3D degli angoli articolari di caviglia, ginocchio, anca, spalla e gomito misurati ad un’intensità del 60% della potenza di picco per un gruppo di 19 ciclisti maschi ben allenati, dati più accurati per anca e spalla che permettono di quantificare con maggiore precisione l’effetto della flessione della colonna vertebrale sulla misurazione di queste articolazioni.

Tuttavia non esistono ancora linee guida per l’ottimizzazione della cinematica dell’intero corpo in 2D e 3D sia per una gamma di intensità diverse che per l’utilizzo di diversi strumenti cinematici che utilizzano diversi set di marcatori anatomici. La gamma di sistemi e i diversi set di marcatori possono confondere questo processo per un certo periodo di tempo a venire.

Conclusioni

Numerosi studi hanno indagato l’altezza ottimale statica della sella e c’è un consenso generale sul fatto che un KFA statico da 25° a 35° con la tecnica Holmes è ottimale per la performance e la prevenzione degli infortuni. Con il miglioramento della tecnologia e la tendenza verso una valutazione più dinamica, sono necessari studi per la validazione questi nuovi metodi.

La configurazione statica della bicicletta è vantaggiosa in quanto è un metodo semplice, meno costoso e più affidabile, anche se i metodi dinamici di valutazione della posizione del ciclista possono fornire dati più rilevanti rispetto ai metodi statici. Le misurazioni dinamiche possono differire a seconda della potenza relativa del ciclista e devono quindi essere valutate ad una specifica percentuale della frequenza cardiaca o della potenza massima e questo può rendere queste valutazioni meno affidabili se i valori di potenza prodotti non sono controllati durante l’analisi.

Gli autori di questa revisione raccomandano che l’uso di misure statiche per valutare altri angoli articolari, come anca e spalla, dovrebbe essere usato anche per stabilire la posizione iniziale di altezza della sella, reach e drop del manubrio, in quanto forniscono un mezzo facile, rapido ed economico per valutare la configurazione da utilizzare nelle prime fasi di una valutazione più complessa o come processo a sé stante per valutazioni più brevi ed economiche. Per queste articolazioni è necessario proporre valori di riferimento scientifici che consentano di valutare rapidamente la posizione iniziale e di correggere le discrepanze grossolane, prima di passare a tecniche di valutazione più costose e dispendiose in termini di tempo per rivedere ulteriormente la posizione. Metodi dinamici, inclusa la mappatura della pressione, possono poi essere utilizzati per regolare la configurazione della bicicletta in base alle esigenze specifiche e all’intensità di di pedalata del ciclista. Il KFA in posizione BDC utilizzando misure dinamiche dovrebbe andare da 33° a 43° a bassa intensità e da 30° a 40° ad alta intensità, mentre valori di riferimento e raccomandazioni per le valutazioni dinamiche sono ancora necessari per tutti le altre articolazioni. Inoltre, i fattori intrinseci, come il carico di allenamento e la flessibilità, che possono influenzare la configurazione della bicicletta e le prestazioni, dovrebbero essere indagati per valutare come possono influenzare la configurazione ottimale della bicicletta.

Swart J, Holliday W. Cycling Biomechanics Optimization-the (R) Evolution of Bicycle Fitting. Curr Sports Med Rep. 2019 Dec;18(12):490-496.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31834181/