El exoesqueleto blando de cadera reduce el coste fisiológico y el esfuerzo percibido en adultos mayores durante la subida

Resumen

Este protocolo evalúa la eficacia de un exoesqueleto de cadera blando y ligero para reducir el estrés fisiológico durante la subida en adultos mayores. Utilizando un diseño de cruces aleatorios, el método demuestra que el dispositivo reduce significativamente el coste fisiológico y la fatiga subjetiva en personas mayores.

Resumen

El senderismo en montaña y el montañismo son actividades habituales para adultos mayores activos para mantener la forma cardiovascular; Sin embargo, las altas exigencias fisiológicas de estas actividades suelen acelerar el inicio de la fatiga neuromuscular. Esta fatiga es un factor de riesgo crítico para lesiones deportivas, como caídas y distensiones musculoesqueléticas. Este estudio tiene como objetivo investigar si un exoesqueleto ligero y blando de cadera puede mitigar estos riesgos y apoyar la actividad física segura para adultos mayores durante simulaciones de montañismo. Veinte adultos mayores sanos (63,45 ± 3,70 años) participaron en un ensayo cruzado aleatorizado en una cinta de correr con una inclinación del 15% a 3,5 km/h. Los participantes caminaron durante 15 minutos bajo tres condiciones: Sin exoesqueleto (NO_EXO), Exoesqueleto activo (EXO_ON) y Exoesqueleto pasivo (EXO_OFF). Los resultados incluyeron el Índice de Coste Fisiológico (PCI), la Frecuencia Cardíaca Máxima (HR_Peak) y la Valoración del Esfuerzo Percibido (Borg RPE). La asistencia activa (EXO_ON) redujo significativamente el Índice de Coste Fisiológico a 13,80 ± 1,51, en comparación con NO_EXO (14,68 ± 2,11) y EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). De manera similar, la EPR fue significativamente menor con asistencia activa (12,95 ± 1,15) que con condiciones no asistidas (13,50 ± 1,19) o pasivas (14,00 ± 1,17) (p = 0,023). Aunque la frecuencia cardíaca máxima fue más baja en EXO_ON (133,65 ± 7,74 lpm), las diferencias entre condiciones no fueron estadísticamente significativas (p = 0,267). El dispositivo compensa eficazmente la carga fisiológica de su propia masa, resultando en una reducción neta del esfuerzo cardiovascular, como lo demuestra la menor PCI y la EPR. Estos hallazgos sugieren que los exoesqueletos blandos de cadera pueden mejorar la eficiencia al caminar y reducir el esfuerzo percibido durante la subida en adultos mayores.

Introducción

A medida que la población mundial envejece, mantener la movilidad funcional en adultos mayores se ha convertido en un desafío importante de salud^{pública 1}. El ejercicio aeróbico regular desempeña un papel protector claro en la prevención de enfermedades cardiovasculares, degeneración musculoesquelética y deterioro^{cognitivo 2}. Entre diversas actividades físicas, el senderismo al aire libre y el montañismo son actividades de ocio ampliamente adoptadas para adultos mayores debido a su combinación de compromiso social y beneficios de acondicionamiento^{aeróbico 2}. Sin embargo, en comparación con la caminata nivelada, la subida impone una carga biomecánica considerable, lo que requiere que las articulaciones de las extremidades inferiores generen un mayor trabajo positivo neto para elevar el centro de masa^{del cuerpo 3}.

Para los adultos mayores, este aumento de la demanda biomecánica suele ir acompañado de estrategias compensatorias específicas. Las investigaciones de Franz y Kram indican que, con el avance de la edad, la potencia durante la subida muestra un "desplazamiento distal a proximal" significativo^. Específicamente, la capacidad propulsora de los flexores plantares del tobillo disminuye en adultos mayores, que en consecuencia dependen más de los extensores de la cadera (glúteo mayor y isquiotibiales) para la producción laboral; La proporción de trabajo realizado por la cadera es significativamente mayor que en controles más jóvenes ^4,5. Este mecanismo compensatorio, superpuesto a la sarcopenia relacionada con la edad y la reducción de la reserva cardiopulmonar, resulta en un mayor coste fisiológico durante la locomoción cuesta arriba en adultos mayores, haciéndolos altamente susceptibles a la fatiga^{neuromuscular 6}.

La acumulación de fatiga no solo limita la tolerancia al ejercicio, sino que también está estrechamente relacionada con un mayor riesgo de caída⁷. Estudios previos han demostrado que la fatiga muscular de las extremidades inferiores altera la estabilidad de la marcha y reduce la mínima liberación de los dedos, aumentando significativamente la probabilidad de tropezar y^{caer 7,8}. Por ello, el desarrollo de tecnologías de asistencia capaces de retrasar la aparición de la fatiga es de gran importancia para garantizar la seguridad de los adultos mayores durante las actividades al aire libre.

La robótica de exoesqueletos portátiles ofrece una vía potencial para abordar este^{problema 9}. Aunque los exoesqueletos rígidos destacan por proporcionar un alto par motor, su masa considerable a menudo restringe los grados de libertad cinemáticos naturales del cuerpo. Esto puede suponer una "penalización fisiológica" en la que el coste fisiológico añadido por el uso del dispositivo compensa o incluso supera los beneficios derivados de la^{asistencia 10,11}. La investigación de Browning et al. confirmó que añadir 1 kg a las extremidades inferiores distales incrementa significativamente el coste fisiológico, una carga nada despreciable para adultos mayores con capacidad física^{limitada 10}. Para superar esta limitación, han surgido "exotrajes blandos" basados en textiles flexibles y transmisión por cable Bowden, diseñados para minimizar la interferencia con la marcha natural mejorando la adherencia^{hombre-máquina 12}.

Aunque los estudios con cohortes jóvenes y sanas han confirmado que la asistencia de cadera puede reducir el coste fisiológico de caminar a nivel¹³, la investigación dirigida a adultos mayores en el escenario de alta demanda fisiológica de la marcha inclinada sigue siendo relativamente escasa. Dada la mayor dependencia del trabajo de cadera durante la subida en adultos^{mayores 4,14}, este estudio plantea la hipótesis de que un exoesqueleto ligero y blando de cadera, proporcionando un par asistido de flexión de cadera preciso, puede superar eficazmente la penalización fisiológica de su propia masa, reduciendo así significativamente el Índice de Coste Fisiológico (PCI) y la fatiga subjetiva (EPR) de los adultos mayores durante una tarea de caminar con inclinación del 15%. Para probar esta hipótesis, este estudio sigue un diseño crossover aleatorizado dentro del sujeto. La preparación inicial del sujeto y el ajuste del dispositivo son realizados por personal no ciego, mientras que la evaluación formal de caminata es supervisada por un evaluador ciego.

Protocolo

El protocolo del estudio fue aprobado por el Comité de Ética en Investigación Clínica del Primer Hospital Afiliado de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zhejiang (Aprobación nº 2024-Research-022). Todos los procedimientos experimentales se realizaron de acuerdo con los principios de la Declaración de Helsinki.

Reclutamiento y selección de sujetos
Para este estudio, se reclutaron a 20 adultos mayores sanos (de 60 a 75 años) del Primer Hospital Afiliado, Facultad de Medicina^{de la Universidad de Zhejiang 15}. Los sujetos fueron evaluados según los siguientes criterios de inclusión: de 60 a 75 años; capacidad para caminar de forma independiente sin dispositivos de ayuda; capacidad para caminar continuamente en la cinta durante ≥15 minutos; y la puntuación MMSE ≥24. Sujetos con hipertensión no controlada (TA en reposo ≥160/100 mmHg); angina inestable, arritmia grave o infarto de miocardio en los 6 meses; ictus, enfermedad de Parkinson, vértigo severo o neuropatía periférica; fractura de extremidad inferior o cirugía ortopédica en un plazo de 12 meses; artrosis severa o artritis reumatoide; heridas abiertas, úlceras, dermatitis, varices severas o alergias a las correas en las zonas de contacto del exoesqueleto; IMC >30 kg/^{m 2}; o se excluyeron las dimensiones del cuerpo fuera del rango del dispositivo. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito y se registraron métricas antropométricas basales, incluyendo altura, peso y frecuencia cardíaca en reposo.

Montaje experimental
La cinta estaba ajustada a 3,5 km/h y una inclinación del 15%. Un cordón de seguridad magnético estaba sujeto desde el cinturón del participante al interruptor de parada automática de la cinta, y un investigador supervisor mantenía acceso continuo al parada manual de emergencia. El dispositivo exoesqueleto se preparó antes de las pruebas. Se verificó que el nivel de carga de la batería era >90%. Las unidades de transmisión se inspeccionaban manualmente para confirmar la ausencia de enredos de cables, ataduras mecánicas o fricción excesiva en los mecanismos de transmisión. El exoesqueleto proporcionaba modos de asistencia adaptados al terreno (Ascenso, Descenso, Llano) con 5 niveles de intensidad (hasta 18 Nm). El Modo Escalada incorporaba un algoritmo de aprendizaje de la marcha y un mecanismo de disparo angular (rango de 0–90°) para sincronizar el par de flexión de la cadera con la fase de marcha del usuario. La magnitud de la asistencia, predominantemente en los niveles 3 o 4, se personalizó en función de la tolerancia subjetiva durante la adaptación. A los sujetos se les instaló un monitor de frecuencia cardíaca para el registro continuo de datos. La escala RPE de Borg (6–20) y la escala de dolor VAS (0–10) se imprimieron en papel A4 y se colocaron dentro de la línea de visión clara del participante para garantizar la accesibilidad inmediata durante la prueba.

Puesta y ajuste del dispositivo (fase sin cegar)
Se seleccionó un tamaño adecuado del dispositivo en función de la altura del participante (tamaño L para la altura >165 cm; Talla M para altura ≤165 cm). Se ayudó a los sujetos a colocar las correas de los hombros y se ajustó la altura del módulo de espalda para alinear coaxialmente las unidades motoras laterales de la cadera con el trocánter mayor. Se abrochó la hebilla magnética de la cintura y se apretaron las correas laterales de ajuste por encima de la cresta ilíaca para anclar el dispositivo firmemente a la pelvis y evitar deslizamientos durante la actuación. Las conexiones de las piernas estaban aseguradas. Los puntales del muslo estaban alineados aproximadamente entre 5 y 10 cm por encima de la rótula. Se aseguraron los ganchos y giró la esfera Boa en sentido horario para apretar las correas del muslo. La tensión de la correa se verificó manteniendo aproximadamente 1,0–1,5 cm de espacio entre la correa y la piel cuando se tiraba perpendicularmente a la piel. Los sujetos realizaron sentadillas y elevaciones altas de piernas para verificar la ausencia de interferencias mecánicas o tensión excesiva del cable (Figura 1). Se llevó a cabo una sesión de adaptación^{de 15 minutos llamada 16} . Los sujetos caminaron sin el dispositivo en la cinta a 3,5 km/h y con un 15% de inclinación durante 5 minutos. Los sujetos caminaron con el exoesqueleto (EXO_OFF) sin energía durante 5 minutos. Los sujetos caminaron con el exoesqueleto motorizado (EXO_ON) durante 5 minutos mientras la intensidad de asistencia aumentaba gradualmente desde el nivel 1 hasta el nivel de confort del sujeto (niveles 3 o 4). Luego, los sujetos descansaban sentados durante 20 minutos antes de las pruebas formales. El periodo de descanso de 20 minutos aseguró que la frecuencia cardíaca y el esfuerzo percibido regresaran a los niveles^{iniciales 17}.

Intervención y ceguero
El orden de las tres condiciones experimentales se aleatorizó usando una secuencia generada por ordenador para minimizar los efectos del aprendizaje y la fatiga. En la condición NO_EXO, los sujetos caminaban con ropa deportiva estándar sin exoesqueleto. En la condición EXO_ON, el dispositivo se activaba en Modo Escalada con la intensidad de asistencia ajustada a nivel 3 o 4. El nivel exacto de asistencia se determinó verificando un ritmo de marcha estable sin inestabilidad postural visible, movimientos compensatorios ni resistencia reportada al par del dispositivo. Todos los indicadores LED (luces de encendido y de modo) estaban cubiertos con cinta aislante negra tanto en condiciones EXO_ON como EXO_OFF para mantener el cegamiento visual. Se proporcionó un periodo de descanso sentado de 40 minutos entre ensayos para permitir que la frecuencia cardíaca y los niveles de fatiga volvieran a su estado inicial.

Tarea simulada de subida cuesta (evaluación a ciegas)
Los sujetos caminaron en la cinta durante 15 minutos y se les animó a mantener un paseo natural sin sujetar los pasamanos, salvo que fuera necesario por seguridad. La frecuencia cardíaca (FC) se registró de forma continua. Los 180 puntos de datos de frecuencia cardíaca recogidos entre el mínimo de 12:00 y 15:00 a una frecuencia de muestreo de 1 Hz se promediaron para calcular la frecuencia cardíaca en estado estacionario. La frecuencia cardíaca absoluta más alta registrada durante la tarea se definió como HR_Peak. Al mínimo 14, los sujetos informaron de su nivel de esfuerzo utilizando la escala RPE de Borg. Inmediatamente después de completar la tarea (en menos de 1 minuto), se utilizó la escala VAS para evaluar la integridad de la piel y el dolor articular. Las zonas de contacto cutánea se inspeccionaron visualmente en busca de eritema, ampollas o marcas de presión. El dolor articular se registró usando una escala de SAV de 0–10 cm, donde 0 indicó ausencia de dolor y 10 indicó el peor dolor imaginable. Las puntuaciones ≥4 se consideraron incomodidad clínicamente significativa que requirió una evaluación adicional. El Índice de Coste Fisiológico (PCI) se calculó usando la fórmula adaptada de MacGregor¹⁸: PCI = (Frecuencia cardíaca al caminar − Frecuencia cardíaca en reposo) / Velocidad al caminar, expresada en latidos por minuto por kilómetro por hora (latidos/min/km/h).

Análisis estadístico

Las variables de resultado se compararon entre condiciones utilizando ANOVA, reportándose los tamaños de efecto como eta-cuadrado parcial (η²p). Las comparaciones post hoc por pares utilizaron pruebas t pares corregidas por Bonferroni, y se calcularon la dz de Cohen con IC del 95% (Tabla suplementaria 1). El orden de las condiciones se contrapuso con periodos de descanso entre ensayos para minimizar los efectos de transferencia. La importancia se fijó en p < 0,05.

Resultados

Características del sujeto

Un total de 20 adultos mayores sanos (10 hombres, 10 mujeres) completaron el estudio. Los sujetos tenían una edad media de 63,45 ± 3,70 años, una altura de 1,65 ± 0,07 m, un peso de 60,51 ± 6,59 kg y un índice de masa corporal (IMC) de 22,13 ± 1,58 kg/^m2 (Tabla 1). Todos los sujetos completaron con éxito las tres condiciones de caminar (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) sin que se reportaran evento...

Discusión

Este estudio evaluó el impacto de un exoesqueleto de cadera ligero y blando en métricas fisiológicas y psicológicas en adultos mayores durante simulaciones de subida, utilizando un diseño aleatorizado y cruzado. Los resultados muestran que, en comparación con la condición base (NO_EXO) y la condición de desgaste pasivo (EXO_OFF), el modo de asistencia activa (EXO_ON) redujo significativamente la PCI y la calificación de fatiga subjetiva (EPR). Este hallazgo apoya nuestra hipótesis de que...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Borg RPE Scale	N/A	Escala de 6-20	Escala estandarizada para evaluar la valoración de esfuerzo percibido.
GraphPad Prism	GraphPad Software	Versión 9.0	Usado para visualización de datos y generación de boxplots.
Escala de peso/estatura médica	Meilen	M-C-MSG100	Usado para mediciones de características físicas de base (IMC).
Exoesqueleto suave de cadera (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	Conjunto robótico suave liviano (2.3 kg) que proporciona asistencia para la flexión de la cadera.
SPSS Statistics Software	IBM	Versión 26.0	Usado para análisis estadístico.
Cadena motorizada estándar	YPOO	M5max	Usado para caminar simulado cuesta arriba con una inclinación del 15% y 3.5 km/h.
Escala analógica visual (VAS)	N/A	Línea de 10 cm	Usado para la evaluación subjetiva del dolor y la incomodidad de las extremidades inferiores.
Banda inteligente portátil	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	Banda inteligente portátil usada para monitoreo en tiempo real de la frecuencia cardíaca y la oxigenación sanguínea.