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....

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 ....

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。