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

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。