柔性髋关节外骨骼在老年人上坡行走过程中降低生理消耗与感知用力程度

摘要

本方案评估了一种轻量级柔性髋关节外骨骼在减轻老年人上坡行走期间生理压力方面的有效性。采用随机交叉设计，该方法表明该装置可显著降低老年人的生理消耗和主观疲劳感。

摘要

登山徒步和登山运动是活跃的老年人保持心血管健康水平的常见活动；然而，这些活动较高的生理负荷往往会加速神经肌肉疲劳的发生。这种疲劳是运动相关损伤（如跌倒和肌肉骨骼拉伤）的关键风险因素。本研究旨在探讨轻量化的柔性髋关节外骨骼是否能够降低这些风险，并在模拟登山任务中为老年人的安全体力活动提供支持。二十名健康的老年人（63.45 ± 3.70 岁）参与了一项随机交叉试验，在设定为 15% 坡度、速度 3.5 km/h 的跑步机上进行实验。参与者在三种条件下各步行 15 分钟：无外骨骼（NO_EXO）、外骨骼主动辅助（EXO_ON）和外骨骼被动模式（EXO_OFF）。主要观察指标包括生理成本指数（PCI）、峰值心率（HR_Peak）和主观用力评分（Borg RPE）。主动辅助（EXO_ON）显著降低了生理成本指数至 13.80 ± 1.51，低于无外骨骼组（14.68 ± 2.11）和被动模式组（15.35 ± 1.83；p = 0.033）。同样，主动辅助下的 RPE 值（12.95 ± 1.15）显著低于无辅助（13.50 ± 1.19）和被动模式（14.00 ± 1.17）条件（p = 0.023）。尽管主动辅助条件下的峰值心率最低（133.65 ± 7.74 bpm），但各条件间差异无统计学意义（p = 0.267）。该装置有效抵消了自身质量带来的生理负担，从而净降低了心血管负荷，表现为 PCI 和 RPE 的降低。这些结果表明，柔性髋关节外骨骼可能提高老年人上坡行走时的步行效率，并减少主观用力感。

引言

随着全球人口老龄化，维持老年人的功能性活动能力已成为一项重要的公共卫生挑战¹。规律的有氧运动在预防心血管疾病、肌肉骨骼退化和认知功能下降方面具有明确的保护作用²。在各类体力活动中，户外徒步和登山因其兼具社交互动和有氧锻炼的益处，被老年人广泛采纳为休闲活动²。然而，与平地行走相比，上坡行走施加了显著的生物力学负荷，需要下肢关节产生更大的净正功，以提升身体质心³。

对于老年人而言，这种增加的生物力学需求通常伴随着特定的代偿策略。Franz 和 Kram 的研究表明，随着年龄增长，上坡行走时的动力输出表现出显著的"由远端向近端转移"⁴。具体而言，老年人踝关节跖屈肌的推进能力下降，因而更多地依赖髋伸肌（臀大肌和腘绳肌）完成做功；髋关节做功的比例显著高于年轻对照组^4,5。这种代偿机制叠加在与年龄相关的肌肉减少症和心肺储备功能下降基础上，导致老年人上坡运动时生理耗能更高，因而极易发生神经肌肉疲劳⁶。

疲劳的累积不仅限制了运动耐受能力，还与跌倒风险增加密切相关⁷。先前的研究表明，下肢肌肉疲劳会破坏步态稳定性，并降低最小足趾 clearance，从而显著增加绊倒和跌倒的概率^7,8。因此，开发能够延缓疲劳发生的辅助技术，对于保障老年人在户外活动中的安全具有重要意义。

可穿戴外骨骼机器人技术为解决这一问题提供了潜在途径⁹。尽管刚性外骨骼在提供高扭矩输出方面表现优异，但其较大的质量通常会限制人体自然的运动自由度。这可能导致一种"生理代价"，即穿戴设备所增加的生理负担抵消甚至超过了辅助带来的益处^10,11。Browning 等人的研究证实，在下肢远端增加 1 kg 的质量会显著提高生理消耗，这对于身体能力有限的老年人而言是一种不可忽视的负担¹⁰。为了克服这一局限，基于柔性织物和包登线传动的"软性外骨骼服"应运而生，旨在通过提升人机顺应性来最大限度减少对自然步态的干扰¹²。

尽管针对年轻健康人群的研究已证实髋关节助力可降低平地行走的生理代价¹³，但在高生理负荷的斜坡行走情境下，针对老年人群的研究仍相对较少。鉴于老年人在上坡行走时对髋关节做功的依赖性增加^4,14，本研究假设：一种轻量化的柔性髋关节外骨骼，通过提供精确的髋关节屈曲辅助扭矩，能够有效克服其自身质量带来的生理负担，从而显著降低老年人在15%坡度行走任务中的生理代价指数（PCI）和主观疲劳程度（RPE）。为验证该假设，本研究采用受试者内随机交叉设计。初始的受试者准备和设备穿戴由非盲法工作人员完成，而正式的行走评估则由经过盲法处理的评估人员监督进行。

方案

本研究方案已获浙江大学医学院附属第一医院临床研究伦理委员会批准（批准号：2024-Research-022）。所有实验操作均遵循《赫尔辛基宣言》的原则进行。

受试者招募与筛选
本研究从浙江大学医学院附属第一医院招募了20名健康的老年人（年龄60–75岁）¹⁵。受试者的纳入标准如下：年龄60–75岁；能够独立行走且无需辅助设备；能够在跑步机上连续行走≥15分钟；简易精神状态检查（MMSE）评分≥24分。排除标准包括：未控制的高血压（静息血压≥160/100 mmHg）；6个月内发生过不稳定型心绞痛、严重心律失常或心肌梗死；脑卒中、帕金森病、严重眩晕或周围神经病变；12个月内下肢骨折或骨科手术；严重骨关节炎或类风湿性关节炎；外骨骼接触部位存在开放性伤口、溃疡、皮炎、严重静脉曲张或绑带过敏；BMI >30 kg/m²；或身体尺寸超出设备适配范围。所有受试者均签署书面知情同意书，并记录基线人体测量学指标，包括身高、体重和静息心率。

实验设置
跑步机设定为 3.5 km/h 的速度和 15% 的坡度。将磁性安全绳一端连接至受试者的腰带，另一端连接至跑步机的自动停止开关，同时由一名监督研究人员随时手动控制紧急停止装置。在测试前完成外骨骼设备的准备工作，确认电池电量 >90%。手动检查驱动单元，确保传动机构中无电缆缠绕、机械卡滞或过度摩擦现象。该外骨骼提供适应不同地形的辅助模式（爬升、下坡、平地），共 5 个强度等级（最高达 18 Nm）。爬升模式结合了步态学习算法和角度触发机制（范围 0–90°），以使髋关节屈曲力矩与穿戴者的步态周期同步。辅助强度通常设定为 3 级或 4 级，根据受试者在适应过程中的主观耐受程度进行个性化调整。受试者佩戴心率监测器以实现连续数据记录。 Borg RPE 量表（6–20 分）和 VAS 疼痛量表（0–10 分）被打印在 A4 纸上，并置于受试者视野清晰可见的位置，以确保测试过程中可随时快速参考。

设备穿戴与适配（非盲法阶段）
根据受试者的身高选择合适的设备尺寸（身高>165 cm 选用 L 号；身高 ≤165 cm 选用 M 号）。协助受试者穿戴肩带，并调节背部模块的高度，使侧髋部电机单元与大转子同轴对齐。扣紧磁性腰带扣，并在髂嵴上方收紧侧向调节带，以将设备牢固固定于骨盆，防止在驱动过程中发生滑动。连接腿部组件。大腿支撑杆对准髌骨上方约 5–10 cm 处。固定挂钩后，顺时针旋转 Boa 旋钮以收紧大腿绑带。通过垂直于皮肤方向轻拉绑带，确认绑带与皮肤之间保持约 1.0–1.5 cm 的间隙，以验证绑带张力是否合适。受试者进行深蹲和高抬腿动作，以确认无机械干涉或缆线张力过大的情况（图 1）。随后进行为期 15 分钟的适应性训练¹⁶：受试者先在跑步机上以 3.5 km/h 的速度、15% 的坡度无设备行走 5 分钟；随后穿戴未通电的外骨骼（EXO_OFF）行走 5 分钟；再穿戴通电状态的外骨骼（EXO_ON）行走 5 分钟，期间逐步将助力强度从 1 级增加至受试者感到舒适的水平（通常为 3 或 4 级）。之后，受试者静坐休息 20 分钟，再进入正式试验阶段。这 20 分钟的休息期可确保心率和主观用力感觉恢复至基线水平¹⁷。

干预与盲法
三种实验条件的顺序通过计算机生成的随机序列进行分配，以尽量减少学习效应和疲劳效应。在无外骨骼（NO_EXO）条件下，受试者穿着标准运动服行走，不穿戴外骨骼。在外骨骼开启（EXO_ON）条件下，设备以“爬升模式”启动，辅助强度设定为3级或4级。具体的辅助级别通过确认步态节律稳定、无明显姿势不稳、无代偿性动作或受试者报告对设备扭矩存在抵抗来确定。在EXO_ON和EXO_OFF条件下，所有LED指示灯（电源和模式灯）均用黑色电工胶带覆盖，以维持视觉盲法。每次试验之间安排40分钟的静坐休息时间，以使心率和疲劳水平恢复至基线状态。

模拟上坡行走任务（盲法评估）
受试者在跑步机上行走15分钟，并被鼓励保持自然步态，除非出于安全需要，否则不要扶握扶手。心率（HR）被持续记录。从第12:00至15:00分钟以1 Hz的采样率采集的180个心率数据点取平均值，用于计算稳态心率。任务期间记录到的最高心率定义为HR_Peak。在第14分钟时，受试者使用Borg自觉用力程度（RPE）量表报告其 exertion 水平。任务完成后立即（1分钟内）使用视觉模拟量表（VAS）评估皮肤完整性和关节疼痛。皮肤接触区域被目视检查是否存在红斑、水疱或压痕。关节疼痛采用0–10 cm的VAS量表记录，其中0表示无疼痛，10表示可想象的最严重疼痛。得分≥4被视为具有临床意义的不适，需进一步评估。生理耗能指数（Physiological Cost Index, PCI）采用MacGregor改编的公式计算¹⁸：PCI = (行走时心率 − 静息心率) / 行走速度，单位为每分钟每公里每小时的心跳次数（beats/min/km/h）。

统计分析

采用方差分析（ANOVA）对不同条件下的结果变量进行比较，效应量以偏η²（partial eta-squared, η²p）表示。事后两两比较采用经Bonferroni校正的配对t检验，并计算Cohen's dz及其95%置信区间（补充表1）。实验条件顺序采用平衡设计，各试验间安排休息期以尽量减少遗留效应。显著性水平设定为 p < 0.05。

结果

受试者特征

共有20名健康的老年人（10名男性，10名女性）完成了本研究。受试者的平均年龄为63.45 ± 3.70岁，身高为1.65 ± 0.07 m，体重为60.51 ± 6.59 kg，身体质量指数（BMI）为22.13 ± 1.58 kg/m²（表1）。所有受试者均成功完成了三种步行条件（NO_EXO、EXO_ON、EXO_OFF），且未报告任何不良事件。

生理成本指数

重复测量方差分析显示，三种条件下PCI存在显著差异（F = 3.61，η²p = 0.112，中等效应量；p = 0.033）。主动辅助模式（EXO_ON）的生理负荷最低，PCI为13.80 ± 1.51 次/分钟/公里/小时，显著低于无辅助条件（NO_EXO：14.68 ± 2.11，p = 0.0...

讨论

本研究采用随机交叉设计，评估了一种轻量级软性髋关节外骨骼在模拟上坡行走过程中对老年人生理和心理指标的影响。结果显示，与基线条件（NO_EXO）和被动穿戴条件（EXO_OFF）相比，主动辅助模式（EXO_ON）显著降低了心率-速度乘积（PCI）和主观疲劳评分（RPE）。该结果支持了我们的假设，即针对髋关节的辅助可有效减轻老年人在负重行走任务中的生理应激。

外骨骼系统临床转化的核心在于平衡"辅助效益"与"穿戴负担"¹¹。本研究中，在外骨骼关闭（EXO_OFF）条件下，PCI 较基线略有升高，这一现象与 Browning 等人关于在肢体上增加质量会提高生理代价的经典论述一致¹⁰。由于老年人肌肉力量储备相对较低，其对额外负荷的敏感性可能高于年轻群体¹²。然而，一旦启动主动辅助（EXO_ON），外骨骼所提供的机械功不仅成功抵消了设备自重（2.3 kg）带来的生理代价，还实现了约 6% 的净生理效益。这表明该系统的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
博格自觉用力程度评分表	N/A	6-20 评分量表	用于评估自觉用力程度的标准量表。
GraphPad Prism	GraphPad Software	Version 9.0	用于数据可视化和生成箱线图。
医用体重/身高测量仪	Meilen	M-C-MSG100	用于基线身体特征测量（BMI）。
柔性髋关节外骨骼 (GOGO-H)	杭州柔灵科技发展有限公司	100189510835	轻量级柔性机器人服装（2.3 kg），提供髋关节屈曲辅助。
SPSS 统计软件	IBM	Version 26.0	用于统计分析。
标准电动跑步机	YPOO	M5max	用于模拟 15% 坡度、3.5 km/h 的上坡行走。
视觉模拟评分法（VAS）	N/A	10 cm 直线	用于下肢疼痛与不适的主观评估。
可穿戴智能手环	小米通讯技术有限公司	6932554419790	用于实时心率和血氧监测的可穿戴智能手环。