Name: 软髋外骨骼降低老年人上坡行走时的生理成本和感知的劳累 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-06-09T14:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: 了解软髋外骨骼如何降低老年人上坡行走时的生理成本与疲劳感知。本研究通过随机交叉试验评估该辅助设备在模拟登山场景中的效果，为老年人群安全进行体力活动提供支持。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

我们感谢志愿者们的参与。

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 &#62;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 &#62;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&#62;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 &#60; 0.05。

作者声明无利益冲突。

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&#34;辅助效益&#34;与&#34;穿戴负担&#34;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&#3...

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&#34;由远端向近端转移&#34;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&#34;生理代价&#34;，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&#34;软性外骨骼服&#34;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。

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

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

Soft Hip Exoskeleton Reduces Physiological Cost and Perceived Exertion In Older Adults During Uphill Walking

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。

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...

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。

登山和徒步是中老年人群为保持心血管健康而常进行的活动；然而，这些活动具有较高的生理负荷……

我们测试柔性髋关节外骨骼是否能够降低老年人上坡行走时的生理消耗和疲劳程度。传统的刚性外骨骼过于沉重，而我们的柔性髋关节装置通常重量较轻，且确实能够提供帮助。首先，向年龄在60至75岁之间的受试者说明研究流程，并确认其能够在跑步机上独立行走至少15分钟。将跑步机参数设置为每小时3.5公里，坡度为15%。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，并确保有监督的研究人员始终能够触及手动紧急停止按钮。在测试前准备好外骨骼装置。确认电池电量水平高于90%。手动检查驱动单元，确保传动机构中不存在电缆缠绕、机械卡滞或过度摩擦。将外骨骼配置为在地形自适应的爬坡、下坡和平地模式下运行，提供五个助力等级，最大输出扭矩可达18牛·米。在爬坡模式下，在0至90度范围内启用步态学习算法和角度触发机制，以使髋关节屈曲助力与受试者的步态周期同步。根据受试者在适应过程中的耐受性，主要在三级或四级水平上调整辅助力度。为受试者佩戴心率监测器以持续记录数据。将6至20分的博格自觉用力评分表和0至10分的视觉模拟疼痛评分表打印在A4纸上。在测试期间，将打印好的刻度尺置于受试者视线范围内，以便于使用。测量受试者的身高以选择合适的设备尺寸：身高超过165厘米者选L号，身高小于或等于165厘米者选M号。协助受试者穿戴肩带。调节背部模块高度，使侧髋部电机单元与受试者大转子对齐，并扣紧磁性腰带扣。收紧髂嵴上方的侧向调节带，以将装置牢固固定于骨盆并防止滑动。为固定腿部连接，请将大腿支撑杆对准髌骨上方约 5 至 10 厘米处。扣紧挂钩，并顺时针旋转 Boa 旋钮以收紧大腿绑带。通过拉动绑带使其离开皮肤，检查绑带张力是否合适，确保其间隙约为 1 至 1.5 厘米。让受试者进行深蹲和高抬腿动作，以确认无机械干涉或电缆张力过大现象。在15分钟适应阶段，取下设备，要求受试者在跑步机上以每小时3.5公里的速度、15%的坡度行走5分钟。随后，让受试者穿戴未通电的外骨骼行走5分钟。然后，打开设备，让受试者穿戴动力外骨骼行走五分钟，同时将辅助强度从一级逐渐增加至其感到舒适的水平。适应后，让受试者静坐休息20分钟，再进行正式试验，以确保心率和主观疲劳感恢复至基线水平。使用电工胶带覆盖所有发光二极管指示灯，包括电源和模式指示灯，以维持视觉盲法。将三种实验条件的顺序随机化。在无外骨骼条件下，让参与者穿着标准运动服行走，不穿戴外骨骼。在外骨骼开启条件下，将设备设置为爬升模式，并将辅助强度调至三级或四级。调整辅助水平，直至受试者表现出稳定的步态模式，且无姿势不稳、代偿性动作或不适感。每次试验之间提供40分钟的坐位休息时间，以使心率和疲劳水平恢复至基线状态。要求受试者在跑步机上自然行走15分钟，除非出于安全需要，否则不要扶握扶手。在任务过程中持续记录心率。以每秒一次的采样频率，对第12至15分钟期间采集的数据进行平均，以计算稳态心率。将任务期间记录到的最高心率值定义为峰值心率。第14分钟时，要求参与者使用Borg自觉用力程度评分量表报告其用力强度。任务结束后立即目视检查皮肤接触区域是否存在红斑、水疱或受压痕迹。使用0至10厘米的视觉模拟量表记录关节疼痛，其中0表示无疼痛，10表示可想象的最严重疼痛。将评分大于或等于4分者归类为具有临床意义的不适，需进一步评估。最后，通过从行走时的心率中减去静息心率，再将结果除以行走速度，计算生理耗能指数。共有20名健康老年人（包括10名男性和10名女性）完成了全部三种行走条件，未报告任何不良事件。外骨骼开启条件下的生理成本指数显著低于无外骨骼条件和外骨骼关闭条件。无外骨骼条件的指数也显著低于外骨骼关闭条件。探索性配对比较显示，外骨骼开启条件下的峰值心率低于无外骨骼和外骨骼关闭条件。通过Borg自觉用力程度评分量表测量的主观疲劳感在使用外骨骼时显著低于未使用外骨骼时，但与无外骨骼状态相比无显著差异。该方案用于评估上坡行走过程中的生理消耗及肌肉疲劳程度。主要挑战在于正确穿戴设备，并为混合参数选择最佳匹配设置。未来的研究可以测试真实世界的户外坡道，并纳入更大规模的设备使用者群体。

soft-hip-exoskeleton-reduces-physiological-cost-perceived-exertion

Research

科研

JoVE Journal

Medicine

医学

软髋外骨骼降低老年人上坡行走时的生理成本和感知的劳累

反向动力学建模需要身体节段的惯性参数。采用振荡与反作用板技术测量了膝下假肢的惯性参数。在假肢腿的反向动力学模型中使用假肢惯性的直接测量值后，所得关节合力与力矩的幅值均有所降低。...

利用振荡与反应板技术估算小腿假肢的惯性特性

运动可能缓解与神经退行性疾病相关的行为障碍。尽管针对运动介导效应机制的研究在疾病模型中有所增加，但伴随这些疾病（特别是衰老）的神经生物学背景可能尚未得到充分考虑。本文阐述了提高老年大鼠运动实验范式成功率的若干措施。...

在啮齿类动物强制运动中实现依从性：评估运动对衰老相关疾病影响的关键标准

目的是验证北欧行走步态与姿势分析中数据采集技术的最佳应用方式。在短时间分析（即单个步态周期）中应使用三维运动捕捉技术，而在长时间分析（即多次重复周期）如6分钟步行测试中则应采用加速度测量技术。...

验证适用于评估老年人 Nordic 步行步态与姿势的合适运动捕捉技术

使用动力外骨骼训练瘫痪患者行走可能面临诸多挑战。本研究旨在介绍候选者筛选标准，以及外骨骼辅助行走和其他移动技能的训练流程，并可根据受试者技能水平的提升逐步进阶训练内容。...

使用动力外骨骼训练脊髓损伤患者行走

感染 HIV 的个体通常身体虚弱、情绪低落，并且生活方式久坐不动，因此传统锻炼方式对他们而言过于劳累。本文介绍了一种可改善 HIV...

老年人群中HIV感染者通过运动游戏改善平衡能力、行动能力并缓解部分虚弱症状

本研究探讨了穿中高跟鞋进行慢跑和跑步时的下肢运动学特征及地面反作用力（GRF）。受试者被分为有经验穿着者和无经验穿着者两组。采用配备测力台的三维运动分析系统，采集下肢关节运动和地面反作用力（GRF）数据。...

使用金标准步态分析方法评估中高度高跟跑动和跑步过程中下肢力学的运动经验效应

本文基于临床医生的视角，提出一种双模型下肢正压（LBPP）干预方案（包括行走和蹲起模型），并结合临床功能评估方法，旨在进一步推动膝骨关节炎患者非药物外科干预策略的发展。然而，本研究仅通过三维步态分析，展示了一例患者中LBPP训练在缓解疼痛和改善膝关节功能方面的效果。该方法的确切长期疗效仍有待未来研究进一步探讨。...

用于膝骨关节炎康复的下肢正压跑步机

本文介绍了一种全面的实验方法，用于研究当前可用来测量个体下肢生物力学的两项最新技术。...

健康受试者下肢生物力学分析

本方案旨在为康复专科医生和健身教练提供针对患有神经退行性疾病的老年人开展线上及线下步行课程的安全、可行且基于证据的方法指导。...

与我同行：面向神经退行性疾病老年患者的混合式虚拟/线下步行干预

将外骨骼辅助的减重平板车训练与基于游戏的虚拟现实技术相结合，对中风幸存者双重任务能力的影响尚未得到研究。因此，本康复计划旨在探讨这种组合在中风恢复期间增强步行能力方面的潜在作用与优势。...

一种结合非沉浸式虚拟现实的外骨骼辅助减重平板车训练康复项目用于中风患者

了解软髋外骨骼如何降低老年人上坡行走时的生理成本与疲劳感知。本研究通过随机交叉试验评估该辅助设备在模拟登山场景中的效果，为老年人群安全进行体力活动提供支持。

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

探索更多视频