Ein weiches Hüft-Exoskelett reduziert die physiologischen Kosten und die wahrgenommene Anstrengung bei älteren Erwachsenen beim Bergauflaufen

Zusammenfassung

Dieses Protokoll bewertet die Wirksamkeit eines leichten weichen Hüft-Exoskeletts bei der Reduzierung physiologischer Belastung beim Bergaufgehen bei älteren Erwachsenen. Mit einem randomisierten Crossover-Design zeigt die Methode, dass das Gerät physiologische Kosten und subjektive Müdigkeit bei älteren Menschen signifikant reduziert.

Zusammenfassung

Bergwandern und Bergsteigen sind gängige Aktivitäten aktiver älterer Erwachsener, um die kardiovaskuläre Fitness zu erhalten; die hohen physiologischen Anforderungen dieser Aktivitäten beschleunigen jedoch oft den Beginn der neuromuskulären Ermüdung. Diese Müdigkeit ist ein kritischer Risikofaktor für sportbedingte Verletzungen wie Stürze und muskuloskelettale Zerrungen. Diese Studie zielt darauf ab, zu untersuchen, ob ein leichtes, weiches Hüft-Exoskelett diese Risiken mindern und eine sichere körperliche Aktivität älterer Menschen während simulierter Bergsteigertätigkeiten unterstützen kann. Zwanzig gesunde ältere Erwachsene (63,45 ± 3,70 Jahre) nahmen an einer randomisierten Crossover-Studie auf einem Laufband mit einer Steigung von 15 % bei 3,5 km/h teil. Die Teilnehmer gingen 15 Minuten unter drei Bedingungen: Kein Exoskelett (NO_EXO), Exoskelett aktiv (EXO_ON) und Exoskelett passiv (EXO_OFF). Zu den Ergebnissen gehörten der physiologische Kostenindex (PCI), die Spitzenherzfrequenz (HR_Peak) und die Bewertung der wahrgenommenen Anstrengung (Borg RPE). Aktive Unterstützung (EXO_ON) senkte den physiologischen Kostenindex signifikant auf 13,80 ± 1,51, verglichen mit NO_EXO (14,68 ± 2,11) und EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). Ebenso war RPE bei aktiver Unterstützung (12,95 ± 1,15) signifikant niedriger als bei ununterstützten (13,50 ± 1,19) oder passiven (14,00 ± 1,17) Bedingungen (p = 0,023). Obwohl die Spitzenherzfrequenz in EXO_ON am niedrigsten war (133,65 ± 7,74 bpm), waren die Unterschiede zwischen den Erkrankungen statistisch nicht signifikant (p = 0,267). Das Gerät gleicht effektiv die physiologische Belastung seiner eigenen Masse aus, was zu einer Nettoverringerung des kardiovaskulären Anstrengungs führt, wie sich durch niedrigere PCI und RPE zeigt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass weiche Hüft-Exoskelette die Geheffizienz verbessern und die wahrgenommene Anstrengung beim Bergaufgehen bei älteren Erwachsenen verringern können.

Einleitung

Mit dem Alter der Weltbevölkerung ist die Aufrechterhaltung der funktionalen Mobilität bei älteren Erwachsenen zu einer bedeutenden^{Herausforderung für} die öffentliche Gesundheit geworden. Regelmäßige Ausdauerbewegung spielt eine klare schützende Rolle bei der Vorbeugung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, muskuloskelettaler Degeneration und kognitivem Abbau². Unter den verschiedenen körperlichen Aktivitäten sind Outdoor-Wandern und Bergsteigen aufgrund ihrer Kombination aus sozialem Engagement und aerober Kondition weit verbreitete Freizeitaktivitäten für ältere^Erwachsene. Im Vergleich zum ebenen Gehen verursacht das bergaufsteigende Gehen jedoch eine erhebliche biomechanische Belastung, die die unteren Gliedmaßengelenke erfordert, um eine größere positive Nettoarbeit zu erzeugen, um den Körperschwerpunkt^zu erhöhen.

Bei älteren Menschen geht diese erhöhte biomechanische Nachfrage oft mit spezifischen Ausgleichsstrategien einher. Forschungen von Franz und Kram zeigen, dass mit zunehmendem Alter die Leistungsabgabe beim Aufwärtsgehen eine signifikante "Verschiebung von distal zu proximal^" aufweist4. Insbesondere nimmt die Antriebsfähigkeit der Plantarbeuger des Sprunggelenks bei älteren Erwachsenen ab, die daher stärker auf die Hüftstrecker (Gluteus maximus und Hamstrings) für die Arbeitsproduktion angewiesen sind; Der Anteil der von der Hüfte verrichteten Arbeit ist signifikant höher als bei jüngeren Kontrollgruppen ^4,5. Dieser kompensatorische Mechanismus, der auf altersbedingte Sarkopenie und eine verringerte kardiopmonale Reserve gelegt wird, führt bei älteren Erwachsenen zu höheren physiologischen Kosten während der Aufwärtsbewegung, was sie sehr anfällig für neuromuskuläre Ermüdung^macht.

Die Anhäufung von Müdigkeit begrenzt nicht nur die Trainingstoleranz, sondern steht auch in engem Zusammenhang mit einem erhöhten Sturzrisiko. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Ermüdung der unteren Gliedmaßen die Gangstabilität stört und den minimalen Zehenfreiheitsraum verringert, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Stolpers und Sturzes um ^7,8 deutlich erhöht wird. Daher ist die Entwicklung von Hilfstechnologien, die Ermüdungsbeginn verzögern können, von großer Bedeutung für die Sicherheit älterer Menschen bei Outdoor-Aktivitäten.

Tragbare Exoskelett-Robotik bietet einen potenziellen Weg, dieses Problem anzugehen⁹. Während starre Exoskelette ein hohes Drehmoment liefern, schränkt ihre beträchtliche Masse oft die natürlichen kinematischen Freiheitsgrade des Körpers ein. Dies kann zu einer "physiologischen Strafe" führen, bei der die durch das Tragen des Geräts entstehenden physiologischen Kosten die Vorteile der Unterstützung^10,11 ausgleichen oder sogar übersteigen. Forschungen von Browning et al. bestätigten, dass die Hinzufügung von 1 kg zu den distalen unteren Extremitäten die physiologischen Kosten signifikant erhöht – eine nicht vernachlässigbare Belastung für ältere Erwachsene mit eingeschränkter körperlicher Leistungsfähigkeit¹⁰. Um diese Einschränkung zu überwinden, sind "weiche Exoanzüge" auf Basis flexibler Textilien und Bowden-Kabelübertragung entstanden, die darauf ausgelegt sind, Störungen des natürlichen Gangs zu minimieren, indem sie die menschlich-maschinelle Compliance¹² verbessern.

Obwohl Studien mit jungen, gesunden Kohorten bestätigt haben, dass Hüfthilfe die physiologischen Kosten von Level^{Walking 13} senken kann, bleibt Forschung für ältere Erwachsene im Szenario des geneigten Gehens mit hohem physiologischem Bedarf relativ rar. Angesichts der erhöhten Abhängigkeit von Hüftarbeit beim Bergaufgehen bei älteren Erwachsenen ^4,14 vermutet diese Studie, dass ein leichtes, weiches Hüftexoskelett durch präzises Hüftbeugungs-Hilfsdrehmoment den physiologischen Nachteil seiner eigenen Masse effektiv überwinden kann und so den Physiological Cost Index (PCI) und die subjektive Erschöpfung (RPE) älterer Erwachsener während einer 15%igen Steigungsaufgabe signifikant reduziert. Um diese Hypothese zu testen, folgt diese Studie einem randomisierten Crossover-Design innerhalb des Subjekts. Die anfängliche Vorbereitung des Probanden und die Anpassung des Geräts werden von ungeblendetem Personal durchgeführt, während die formale Gehbeurteilung von einem blinden Gutachter beaufsichtigt wird.

Protokoll

Das Studienprotokoll wurde vom Clinical Research Ethics Committee des ersten angeschlossenen Krankenhauses, Zhejiang University School of Medicine, genehmigt (Zulassungsnummer 2024-Research-022). Alle experimentellen Verfahren wurden gemäß den Grundsätzen der Helsinkier Erklärung durchgeführt.

Probandenrekrutierung und -auswahl
Für diese Studie wurden 20 gesunde ältere Erwachsene (im Alter von 60–75 Jahren) vom First Affiliated Hospital, Zhejiang University School^{of Medicine,} rekrutiert. Die Probanden wurden nach folgenden Einschlusskriterien ausgewählt: Alter 60–75 Jahre; Fähigkeit zum selbstständigen Gehen ohne Hilfsmittel; Fähigkeit, ≥15 Minuten durchgehend auf dem Laufband zu gehen; und MMSE-Wert ≥24. Probanden mit unkontrollierter Hypertonie (Ruhe-Blutdruck ≥160/100 mmHg); instabile Angina, schwere Arrhythmie oder Myokardinfarkt innerhalb von 6 Monaten; Schlaganfall, Parkinson-Krankheit, schwerer Schwindel oder periphere Neuropathie; Untergliedmaßenbruch oder orthopädische Operation innerhalb von 12 Monaten; schwere Arthrose oder rheumatoide Arthritis; offene Wunden, Geschwüre, Dermatitis, schwere Krampfadern oder Gurtallergien an den Kontaktstellen des Exoskeletts; BMI >30 kg/m²; oder Karosseriemaße außerhalb des Gerätebereich ausgeschlossen wurden. Es wurde eine schriftliche informierte Zustimmung eingeholt und anthropometrische Ausgangswerte wie Größe, Gewicht und Ruhepuls erfasst.

Experimenteller Aufbau
Das Laufband war auf 3,5 km/h und eine Steigung von 15 % eingestellt. Ein magnetisches Sicherheitsband wurde vom Gürtel des Teilnehmers am Auto-Stop-Schalter des Laufbands befestigt, und ein betreuender Forscher hielt kontinuierlichen Zugriff auf den manuellen Notstopp. Das Exoskelett-Gerät wurde vor dem Test vorbereitet. Der Batterieladestand wurde mit >90 % bestätigt. Die Antriebseinheiten wurden manuell überprüft, um das Fehlen von Kabelverschränkungen, mechanischem Klemmen oder übermäßiger Reibung in den Getriebemechanismen zu bestätigen. Das Exoskelett bot geländeadaptive Hilfsmodi (Klettern, Bergabfahrt, Flach) mit 5 Intensitätsstufen (bis zu 18 Nm). Der Klettermodus beinhaltete einen Ganglernalgorithmus und einen winkelgesteuerten Mechanismus (0–90°-Bereich), um das Hüftbeugungsmoment mit der Gangphase des Trägers zu synchronisieren. Die Assistenzgröße, überwiegend auf den Stufen 3 oder 4, wurde basierend auf der subjektiven Toleranz während der Anpassung personalisiert. Die Probanden wurden mit einem Herzfrequenzmessgerät zur kontinuierlichen Datenerfassung ausgestattet. Die Borg RPE-Skala (6–20) und die VAS-Schmerzskala (0–10) wurden auf A4-Papier gedruckt und innerhalb der freien Sichtlinie des Teilnehmers positioniert, um während der Tests sofortigen Zugang zu gewährleisten.

Anziehen und Anpassen des Geräts (Unblinded Phase)
Eine geeignete Gerätegröße wurde basierend auf der Teilnehmergröße ausgewählt (Größe L für die Höhe >165 cm; Größe M für Größe ≤165 cm). Die Probanden wurden beim Anlegen der Schultergurte unterstützt, und die Höhe des Rückenmoduls wurde so angepasst, dass die lateralen Hüftmotoreinheiten koaxial mit dem großen Trochanter ausgerichtet wurden. Die magnetische Taillenschnalle wurde befestigt, und die seitlichen Verstellriemen wurden oberhalb des Iliac-Kamm festgezogen, um das Gerät sicher am Becken zu verankern und ein Durchrutschen während der Betätigung zu verhindern. Die Beinverbindungen wurden gesichert. Die Oberschenkelstreben waren etwa 5–10 cm oberhalb der Kniescheibe ausgerichtet. Haken wurden befestigt, und das Boa-Zifferblatt wurde im Uhrzeigersinn gedreht, um die Oberschenkelriemen festzuziehen. Die Gurtenspannung wurde überprüft, indem beim Ziehen senkrecht zur Haut etwa 1,0–1,5 cm Abstand zwischen Riemen und Haut gehalten wurde. Die Probanden führten Kniebeugen und hohe Beinhebungen durch, um das Fehlen mechanischer Störungen oder übermäßiger Kabelspannung zu überprüfen (Abbildung 1). Eine 15-minütige Anpassungssitzung¹⁶ wurde durchgeführt. Die Probanden gingen ohne das Gerät auf dem Laufband mit 3,5 km/h und 15 % Steigung für 5 Minuten. Die Probanden gingen 5 Minuten lang mit dem unbeweglichen Exoskelett (EXO_OFF). Die Probanden gingen 5 Minuten lang mit dem aktivierten Exoskelett (EXO_ON), während die Intensität der Unterstützung schrittweise von Stufe 1 auf das Komfortniveau der Probanden (Stufe 3 oder 4) erhöht wurde. Die Probanden ruhten dann 20 Minuten sitzend aus, bevor die formellen Prüfungen begannen. Die 20-minütige Ruhephase sorgte dafür, dass Herzfrequenz und wahrgenommene Anstrengung auf das Ausgangsniveau^{von 17} zurückkehrten.

Intervention und Blendung
Die Reihenfolge der drei experimentellen Bedingungen wurde mithilfe einer computergenerierten Sequenz randomisiert, um Lern- und Ermüdungseffekte zu minimieren. Im NO_EXO Zustand gingen die Probanden in Standard-Sportbekleidung ohne Exoskelett. Im EXO_ON Zustand wurde das Gerät im Klettermodus aktiviert, wobei die Assistenzintensität auf Stufe 3 oder 4 eingestellt war. Das genaue Unterstützungsniveau wurde durch die Überprüfung eines stabilen Gangrhythmus ohne sichtbare Haltungsinstabilität, kompensatorische Bewegungen oder gemeldeten Widerstand gegen das Drehmoment des Geräts bestimmt. Alle LED-Anzeigen (Strom- und Modusleuchten) wurden sowohl unter EXO_ON als auch unter EXO_OFF Bedingungen mit schwarzem Isolierband bedeckt, um die visuelle Blendung aufrechtzuerhalten. Zwischen den Studien wurde eine 40-minütige sitzende Ruhephase vorgesehen, damit Herzfrequenz und Müdigkeit wieder auf den Ausgangswert zurückkehren konnten.

Simulierte Aufstiegsaufgabe (blinde Bewertung)
Die Probanden gingen 15 Minuten auf dem Laufband und wurden ermutigt, ein natürliches Gehen ohne Handläufe beizubehalten, es sei denn, es war aus Sicherheitsgründen notwendig. Die Herzfrequenz (HR) wurde kontinuierlich erfasst. Die 180 Herzfrequenzdatenpunkte, die von Minute 12:00 bis 15:00 bei einer Stichproberate von 1 Hz erhoben wurden, wurden gemittelt, um die stationäre Herzfrequenz zu berechnen. Die absolut höchste während der Aufgabe gemessene Herzfrequenz wurde als HR_Peak definiert. Bei mindestens 14 gaben die Probanden anhand der Borg-RPE-Skala ihren Anstrengungsgrad an. Unmittelbar nach Abschluss der Aufgabe (innerhalb von 1 Minute) wurde die VAS-Skala verwendet, um die Hautintegrität und Gelenkschmerzen zu beurteilen. Hautkontaktflächen wurden visuell auf Erythem, Blasen oder Druckstellen untersucht. Gelenkschmerzen wurden mit einer 0–10 cm VAS-Skala erfasst, wobei 0 keinen Schmerz und 10 den schlimmsten vorstellbaren Schmerz anzeigte. Die Werte ≥4 galten als klinisch signifikante Beschwerden und erforderten eine weitere Untersuchung. Der physiologische Kostenindex (PCI) wurde mit der Formel berechnet, die von MacGregor¹⁸ übernommen wurde: PCI = (Gehherzfrequenz − Ruheherzfrequenz) / Gehgeschwindigkeit, ausgedrückt in Schlägen pro Minute pro Kilometer pro Stunde (Schläge/min/km/h).

Statistische Analyse

Die Ergebnisvariablen wurden mit ANOVA über verschiedene Bedingungen hinweg verglichen, wobei die Effektgrößen als partielle ETA-Quadrat (η²p) angegeben wurden. Post-hoc paarweise Vergleiche verwendeten Bonferroni-korrigierte gepaarte t-Tests, und Cohens DZ mit 95 % KI wurden berechnet (Ergänzende Tabelle 1). Die Reihenfolge des Zustands wurde ausgeglichen, mit Pausezeiten zwischen den Studien, um die Übertragungseffekte zu minimieren. Die Bedeutung wurde auf p < 0,05 festgelegt.

Ergebnisse

Merkmale des Themas

Insgesamt haben 20 gesunde ältere Erwachsene (10 männlich, 10 weiblich) die Studie abgeschlossen. Die Probanden hatten ein Durchschnittsalter von 63,45 ± 3,70 Jahren, eine Körpergröße von 1,65 ± 0,07 m, ein Gewicht von 60,51 ± 6,59 kg und einen Body-Mass-Index (BMI) von 22,13 ± 1,58 kg/^m2 (Tabelle 1). Alle Probanden bestanden erfolgreich die drei Gehbedingungen (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) ohne geme...

Diskussion

Diese Studie bewertete den Einfluss eines leichten, weichen Hüftexoskeletts auf physiologische und psychologische Metriken bei älteren Erwachsenen während simuliertem Bergauflaufen unter Verwendung eines randomisierten Crossover-Designs. Die Ergebnisse zeigen, dass im Vergleich zum Ausgangszustand (NO_EXO) und dem passiven Verschleißzustand (EXO_OFF) der aktive Hilfsmodus (EXO_ON) PCI und subjektive Ermüdungsbewertung (RPE) signifikant reduziert hat. Diese Erkenntnis stützt unsere Hypoth...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Borg RPE-Skala	N/A	6-20 Skala	Standardisierte Skala zur Bewertung der wahrgenommenen Anstrengung.
GraphPad Prism	GraphPad Software	Version 9.0	Verwendet für Datenvisualisierung und Generierung von Boxplots.
Medizinische Gewicht-/Größenwaage	Meilen	M-C-MSG100	Verwendet für Baseline-Messungen physischer Merkmale (BMI).
Weiches Hüft-Exoskelett (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	Leichter weicher Roboteranzug (2,3 kg), der Hüftbeugung unterstützt.
SPSS Statistics Software	IBM	Version 26.0	Verwendet für statistische Analyse.
Standard Motorisierter Laufband	YPOO	M5max	Verwendet für simuliertes Bergaufgehen bei einer Steigung von 15% und 3,5 km/h.
Visuelle Analogskala (VAS)	N/A	10 cm Linie	Verwendet für subjektive Bewertung von Schmerzen und Unbehagen in den unteren Gliedmaßen.
Tragbare Smart-Band	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	Tragbare Smart-Band zur Echtzeitüberwachung von Herzfrequenz und Blutsauerstoffgehalt.