L’exosquelette de la hanche souple réduit le coût physiologique et l’effort perçu chez les personnes âgées lors de la marche en montée

Résumé

Ce protocole évalue l’efficacité d’un exosquelette de hanche souple et léger pour réduire le stress physiologique lors de la marche en montée chez les personnes âgées. En utilisant un design de crossover randomisé, la méthode démontre que l’appareil réduit significativement le coût physiologique et la fatigue subjective chez les personnes âgées.

Résumé

La randonnée en montagne et l’alpinisme sont des activités courantes pour les personnes âgées actives afin de maintenir leur forme cardiovasculaire ; Cependant, les exigences physiologiques élevées de ces activités accélèrent souvent l’apparition de la fatigue neuromusculaire. Cette fatigue est un facteur de risque critique pour les blessures liées au sport, telles que les chutes et les tensions musculo-squelettiques. Cette étude vise à déterminer si un exosquelette léger et souple de la hanche peut atténuer ces risques et soutenir une activité physique sûre pour les personnes âgées lors d’activités d’alpinisme simulées. Vingt personnes âgées en bonne santé (63,45 ± 3,70 ans) ont participé à un essai croisé randomisé sur un tapis roulant réglé à une pente de 15 % à 3,5 km/h. Les participants ont marché pendant 15 minutes dans trois conditions : Pas d’exosquelette (NO_EXO), Exosquelette actif (EXO_ON) et Exosquelette passif (EXO_OFF). Les résultats comprenaient l’Indice de Coût Physiologique (PCI), la Fréquence Cardiaque de Pointe (HR_Peak) et l’Évaluation de l’Effort Perçu (RPE de Borg). L’assistance active (EXO_ON) a significativement réduit l’indice de coût physiologique à 13,80 ± 1,51, contre NO_EXO (14,68 ± 2,11) et EXO_OFF (15,35 ± 1,83 ; p = 0,033). De même, l’EPR était significativement plus faible avec l’assistance active (12,95 ± 1,15) qu’avec les conditions non assistées (13,50 ± 1,19) ou passives (14,00 ± 1,17) (p = 0,023). Bien que la fréquence cardiaque maximale ait été la plus faible en EXO_ON (133,65 ± 7,74 bpm), les différences entre les affections n’étaient pas statistiquement significatives (p = 0,267). L’appareil compense efficacement la charge physiologique de sa propre masse, entraînant une réduction nette de l’effort cardiovasculaire, comme en témoignent une IPC et une EPR plus faibles. Ces résultats suggèrent que les exosquelettes de hanche souples pourraient améliorer l’efficacité de la marche et réduire l’effort perçu lors de la montée chez les personnes âgées.

Introduction

À mesure que la population mondiale vieillit, maintenir la mobilité fonctionnelle chez les personnes âgées est devenu un défi important pour la santé^{publique 1}. L’exercice aérobie régulier joue un rôle protecteur clair dans la prévention des maladies cardiovasculaires, de la dégénérescence musculosquelettique et du déclin^{cognitif 2}. Parmi diverses activités physiques, la randonnée en plein air et l’alpinisme sont des loisirs largement adoptés par les personnes âgées, en raison de leur combinaison d’engagement social et de bienfaits pour la condition^{aérobie 2}. Cependant, comparé à la marche en plat, la marche en montée impose une charge biomécanique importante, nécessitant que les articulations des membres inférieurs génèrent un travail net positif plus important pour élever le centre de masse^{du corps 3}.

Pour les personnes âgées, cette demande biomécanique accrue s’accompagne souvent de stratégies compensatoires spécifiques. Des recherches de Franz et Kram indiquent qu’avec l’âge, la puissance produite lors de la marche en montée présente un « décalage distal vers proximal » ^{significatif4}. Plus précisément, la capacité propulsive des fléchisseurs plantaires de la cheville diminue chez les personnes âgées, qui dépendent donc davantage des extenseurs de la hanche (fessiers grands et ischio-jambiers) pour la production de travail ; La proportion de travail effectué par la hanche est nettement plus élevée que chez les témoins plus jeunes ^4,5. Ce mécanisme compensatoire, superposé à une sarcopénie liée à l’âge et à une réserve cardiopulmonaire réduite, entraîne un coût physiologique plus élevé lors des mouvements en montée chez les personnes âgées, les rendant très sensibles à la fatigue^{neuromusculaire 6}.

L’accumulation de fatigue limite non seulement la tolérance à l’exercice, mais est aussi étroitement liée à un risque accru de^{chute 7}. Des études antérieures ont montré que la fatigue des muscles des membres inférieurs perturbe la stabilité de la foule et réduit la liberté minimale des orteils, augmentant ainsi significativement la probabilité de trébucher et de^{tomber à 7,8}. Par conséquent, le développement de technologies d’assistance capables de retarder l’apparition de la fatigue est d’une grande importance pour garantir la sécurité des personnes âgées lors des activités en plein air.

La robotique exosquelettique portable offre une voie potentielle pour résoudre ce^{problème 9}. Bien que les exosquelettes rigides excellent à fournir un couple élevé, leur masse importante limite souvent les degrés de liberté cinématiques naturels du corps. Cela peut entraîner une « pénalité physiologique » où le coût physiologique ajouté par le port du dispositif compense, voire dépasse, les bénéfices tirés de^{l’assistance 10,11}. Des recherches de Browning et al. ont confirmé que l’ajout de 1 kg aux membres inférieurs distaux augmente significativement le coût physiologique, un fardeau non négligeable pour les personnes âgées ayant une capacité physique^{limitée 10}. Pour surmonter cette limitation, des « exosquelettes souples » basées sur des textiles flexibles et la transmission par câble Bowden ont vu le jour, conçues pour minimiser les interférences avec la démarche naturelle en améliorant la conformité^{homme-machine 12}.

Bien que des études impliquant de jeunes cohortes en bonne santé aient confirmé que l’assistance à la hanche peut réduire le coût physiologique de la marche de^{niveau 13}, les recherches ciblant les personnes âgées dans le scénario à forte demande physiologique de la marche inclinée restent relativement rares. Compte tenu de la dépendance accrue au travail de la hanche lors de la marche en montée chez les personnes^{âgées 4,14}, cette étude émet l’hypothèse qu’un exosquelette léger et souple de la hanche, en fournissant un couple assistatif de flexion précis, peut efficacement surmonter la pénalité physiologique de sa propre masse, réduisant ainsi significativement l’Indice de Coût Physiologique (PCI) et la fatigue subjective (EPR) des personnes âgées lors d’une tâche de marche en pente de 15 %. Pour tester cette hypothèse, cette étude suit un design de crossover randomisé interne au sujet. La préparation initiale du sujet et l’adaptation de l’appareil sont réalisées par un personnel non aveugle, tandis que l’évaluation formelle de la marche est supervisée par un évaluateur aveugle.

Protocole

Le protocole de l’étude a été approuvé par le Comité d’éthique de la recherche clinique du Premier Hôpital Affilié de la Faculté de Médecine de l’Université du Zhejiang (Approbation n° 2024-Research-022). Toutes les procédures expérimentales furent réalisées conformément aux principes de la Déclaration d’Helsinki.

Recrutement et sélection des sujets
Pour cette étude, 20 personnes âgées en bonne santé (âgées de 60 à 75 ans) ont été recrutées au First Affiliated Hospital, Faculté de médecine de l’Université du^{Zhejiang 15}. Les sujets ont été dépistés selon les critères d’inclusion suivants : 60–75 ans ; capacité à marcher de façon autonome sans dispositifs d’assistance ; capacité à marcher en continu sur un tapis de course pendant ≥15 minutes ; et score MMSE ≥24. Sujets présentant une hypertension non contrôlée (tension au repos ≥160/100 mmHg) ; angine instable, arythmie sévère ou infarctus du myocarde dans les 6 mois ; AVC, maladie de Parkinson, vertiges sévères ou neuropathie périphérique ; fracture du membre inférieur ou chirurgie orthopédique dans les 12 mois ; arthrose sévère ou polyarthrite rhumatoïde ; plaies ouvertes, ulcères, dermatite, varices sévères ou allergies aux sangles aux zones de contact avec l’exosquelette ; IMC >30 kg/^{m 2} ; ou les dimensions de la carrosserie hors de la plage des dispositifs étaient exclues. Un consentement éclairé écrit a été obtenu, et des indicateurs anthropométriques de base, notamment la taille, le poids et la fréquence cardiaque au repos, ont été enregistrés.

Installation expérimentale
Le tapis de course était réglé à 3,5 km/h avec une inclinaison de 15 %. Un cordon de sécurité magnétique était fixé de la ceinture du participant à l’interrupteur d’arrêt automatique du tapis de course, et un chercheur superviseur maintenait un accès continu à l’arrêt manuel d’urgence. Le dispositif exosquelette a été préparé avant les tests. Le niveau de charge de la batterie a été vérifié à >90 %. Les unités d’entraînement étaient inspectées manuellement pour confirmer l’absence d’enchevêtrement de câbles, de blocage mécanique ou de friction excessive dans les mécanismes de transmission. L’exosquelette offrait des modes d’assistance adaptés au terrain (Ascension, Descente, Plat) avec 5 niveaux d’intensité (jusqu’à 18 Nm). Le mode Climbing incorporait un algorithme d’apprentissage de la foule et un mécanisme à déclenchement angulaire (plage 0–90°) pour synchroniser le couple de flexion de la hanche avec la phase de marche du porteur. L’ampleur de l’assistance, principalement aux niveaux 3 ou 4, a été personnalisée en fonction de la tolérance subjective lors de l’adaptation. Les sujets ont été équipés d’un moniteur de fréquence cardiaque pour l’enregistrement continu des données. L’échelle RPE de Borg (6–20) et l’échelle de douleur VAS (0–10) ont été imprimées sur papier A4 et placées dans la ligne de vue dégagée du participant afin d’assurer une accessibilité immédiate lors des tests.

Enfilage et adaptation de l’appareil (phase non aveuglée)
Une taille d’appareil appropriée a été sélectionnée en fonction de la taille des participants (taille L pour la hauteur >165 cm ; Taille M pour la taille ≤165 cm). Les sujets ont été aidés à enfiler les épaulettes, et la hauteur du module arrière a été ajustée pour aligner coaxialement les unités motrices latérales de la hanche avec le grand trochanter. La boucle magnétique de la taille a été fixée, et les sangles latérales de réglage ont été serrées au-dessus de la crête iliaque pour ancrer l’appareil solidement au bassin et éviter le glissement lors de l’actionnement. Les connexions des jambes étaient sécurisées. Les entretoises des cuisses étaient alignées environ 5 à 10 cm au-dessus de la rotule. Les crochets étaient fixés, et le cadran Boa tournait dans le sens des aiguilles d’une montre pour serrer les sangles des cuisses. La tension de la sangle a été vérifiée en maintenant environ 1,0 à 1,5 cm de dégagement entre la sangle et la peau lorsqu’elle est tirée perpendiculairement à la peau. Les sujets ont effectué des squats et des levées de jambes hautes pour vérifier l’absence d’interférences mécaniques ou de tension excessive des câbles (Figure 1). Une session d’adaptation de 15 minutes, la^16e , a été menée. Les sujets ont marché sans l’appareil sur le tapis de course à 3,5 km/h et avec une inclinaison de 15 % pendant 5 minutes. Les sujets ont marché avec l’exosquelette (EXO_OFF) non alimenté pendant 5 minutes. Les sujets ont marché avec l’exosquelette motorisé (EXO_ON) pendant 5 minutes tandis que l’intensité de l’assistance augmentait progressivement du niveau 1 au niveau de confort du sujet (niveaux 3 ou 4). Les sujets se reposaient ensuite assis pendant 20 minutes avant les épreuves officielles. La période de repos de 20 minutes a permis de revenir la fréquence cardiaque et l’effort perçu à des niveaux^{de base de 17}.

Intervention et aveuglement
L’ordre des trois conditions expérimentales a été randomisé à l’aide d’une séquence générée par ordinateur afin de minimiser les effets d’apprentissage et de fatigue. Dans la NO_EXO condition, les sujets marchaient en tenue de sport standard sans exosquelette. Dans la EXO_ON condition, l’appareil était activé en mode Escalade avec l’intensité d’assistance réglée au niveau 3 ou 4. Le niveau exact d’assistance a été déterminé en vérifiant un rythme de démarche stable sans instabilité posturale visible, mouvements compensatoires ou résistance signalée au couple de l’appareil. Tous les indicateurs LED (lumières d’alimentation et de mode) étaient recouverts d’un ruban isolant noir dans les conditions EXO_ON et EXO_OFF afin de maintenir l’aveuglement visuel. Une période de repos assis de 40 minutes a été prévue entre les essais afin de permettre au rythme cardiaque et à la fatigue de revenir à la base.

Tâche simulée de marche en montée (évaluation en aveugle)
Les sujets ont marché sur le tapis roulant pendant 15 minutes et ont été encouragés à garder une marche naturelle sans tenir la rampe, sauf pour des raisons de sécurité. La fréquence cardiaque (FC) était enregistrée en continu. Les 180 points de données sur la fréquence cardiaque collectés de min 12:00 à 15:00 à une fréquence d’échantillonnage de 1 Hz ont été moyennés pour calculer la fréquence cardiaque en régime stationnaire. La fréquence cardiaque absolument la plus élevée enregistrée pendant la tâche était définie comme HR_Peak. Au minimum 14, les sujets ont rapporté leur niveau d’effort en utilisant l’échelle RPE de Borg. Immédiatement après l’achèvement de la tâche (en moins d’une minute), l’échelle VAS a été utilisée pour évaluer l’intégrité cutanée et les douleurs articulaires. Les zones de contact cutané ont été inspectées visuellement pour détecter des érythèmes, des ampoules ou des marques de pression. La douleur articulaire a été enregistrée à l’aide d’une échelle VA, de 0 à 10 cm, où 0 indiquait pas de douleur, et 10 indiquait la pire douleur imaginable. Les scores ≥4 ont été considérés comme cliniquement significatifs et nécessitant une évaluation supplémentaire. L’Indice de Coût Physiologique (PCI) a été calculé à l’aide de la formule adaptée de MacGregor¹⁸ : PCI = (Fréquence cardiaque de marche − Fréquence cardiaque au repos) / Vitesse de marche, exprimée en battements par minute par kilomètre par heure (battements/min/km/h).

Analyse statistique

Les variables de résultat ont été comparées entre les conditions à l’aide d’ANOVA, avec des tailles d’effet rapportées en partiel eta-carré (η²p). Des comparaisons post-hoc par paires ont utilisé des tests t par paires corrigés par Bonferroni, et la dz de Cohen avec IC à 95 % a été calculée (Tableau Supplémentaire 1). L’ordre de l’état a été contrebalancé, avec des périodes de repos entre les essais pour minimiser les effets de report. La signification a été fixée à p < 0,05.

Résultats

Caractéristiques du sujet

Un total de 20 personnes âgées en bonne santé (10 hommes, 10 femmes) ont mené l’étude. Les sujets avaient un âge moyen de 63,45 ± 3,70 ans, une taille de 1,65 ± 0,07 m, un poids de 60,51 ± 6,59 kg, et un indice de masse corporelle (IMC) de 22,13 ± 1,58 kg/^{m 2} (Tableau 1). Tous les sujets ont réussi à réussir les trois conditions de marche (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) sans aucun événement indés...

Discussion

Cette étude a évalué l’impact d’un exosquelette léger et souple de la hanche sur les métriques physiologiques et psychologiques chez les personnes âgées lors de marches simulées en montée, en utilisant un design randomisé et croisé. Les résultats montrent que, comparé à la condition de base (NO_EXO) et à l’usure passive (EXO_OFF), le mode d’assistance active (EXO_ON) réduisait significativement l’IPC et la fatigue subjective (EPR). Cette découverte soutient notre hypothèse selon laquelle...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Borg RPE Scale	N/A	6-20 Scale	Échelle standardisée pour évaluer l'évaluation de l'effort perçu.
GraphPad Prism	GraphPad Software	Version 9.0	Utilisé pour la visualisation des données et la génération de boîtes à moustaches.
Medical Weight/Height Scale	Meilen	M-C-MSG100	Utilisé pour les mesures de caractéristiques physiques de base (IMC).
Soft Hip Exoskeleton (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	Combinaison robotique souple légère (2,3 kg) fournissant une assistance à la flexion de la hanche.
SPSS Statistics Software	IBM	Version 26.0	Utilisé pour l'analyse statistique.
Standard Motorized Treadmill	YPOO	M5max	Utilisé pour la simulation de la marche en montée à une inclinaison de 15% et à 3,5 km/h.
Visual Analog Scale (VAS)	N/A	Ligne de 10 cm	Utilisé pour l'évaluation subjective de la douleur et de l'inconfort des membres inférieurs.
Wearable smart band	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	Bracelet intelligent portable utilisé pour la surveillance en temps réel de la fréquence cardiaque et de l'oxygène sanguin.