L'esoscheletro morbido dell'anca riduce il costo fisiologico e lo sforzo percepito negli anziani durante la salita

Sommario

Questo protocollo valuta l'efficacia di un esoscheletro dell'anca morbido e leggero nella riduzione dello stress fisiologico durante la camminata in salita negli anziani. Utilizzando un design crossover randomizzato, il metodo dimostra che il dispositivo riduce significativamente i costi fisiologici e la fatica soggettiva negli anziani.

Abstract

Le escursioni in montagna e l'alpinismo sono attività comuni per gli anziani attivi per mantenere la forma cardiovascolare; tuttavia, le elevate esigenze fisiologiche di queste attività spesso accelerano l'insorgenza della fatica neuromuscolare. Questa stanchezza è un fattore di rischio critico per infortuni sportivi, come cadute e stiramenti muscoloscheletrici. Questo studio mira a indagare se un esoscheletro leggero e morbido dell'anca possa mitigare questi rischi e sostenere un'attività fisica sicura per gli anziani durante attività simulate di alpinismo. Venti adulti anziani sani (63,45 ± 3,70 anni) hanno partecipato a uno studio crossover randomizzato su tapis roulant impostato su un'inclinazione del 15% a 3,5 km/h. I partecipanti hanno camminato per 15 minuti in tre condizioni: Nessuno Esoscheletro (NO_EXO), Esoscheletro Attivo (EXO_ON) e Esoscheletro Passivo (EXO_OFF). Gli esiti includevano l'Indice di Costo Fisiologico (PCI), la Frequenza Cardiaca Massima (HR_Peak) e la Valutazione dello Sforzo Percepito (Borg RPE). L'assistenza attiva (EXO_ON) ha ridotto significativamente l'Indice di Costo Fisiologico a 13,80 ± 1,51, rispetto a NO_EXO (14,68 ± 2,11) e EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). Analogamente, l'EPR è stata significativamente più bassa con assistenza attiva (12,95 ± 1,15) rispetto a condizioni non assistite (13,50 ± 1,19) o passive (14,00 ± 1,17) (p = 0,023). Sebbene la frequenza cardiaca massima fosse più bassa in EXO_ON (133,65 ± 7,74 bpm), le differenze tra le condizioni non erano statisticamente significative (p = 0,267). Il dispositivo compensa efficacemente il carico fisiologico della propria massa, portando a una riduzione netta dello sforzo cardiovascolare, come dimostrato da una minore PCI e RPE. Questi risultati suggeriscono che gli esoscheletro morbidi dell'anca potrebbero migliorare l'efficienza della camminata e ridurre lo sforzo percepito durante la salita negli adulti anziani.

Introduzione

Con l'invecchiamento della popolazione globale, mantenere la mobilità funzionale negli anziani è diventata una sfida significativa per la salute^{pubblica 1}. L'esercizio aerobico regolare svolge un chiaro ruolo protettivo nella prevenzione di malattie cardiovascolari, degenerazione muscoloscheletrica e declino^{cognitivo 2}. Tra le varie attività fisiche, escursionismo all'aperto e alpinismo sono attività ricreative ampiamente adottate dagli adulti anziani grazie alla loro combinazione di coinvolgimento sociale e benefici per il condizionamento^aerobico. Tuttavia, rispetto alla camminata in pianura, la camminata in salita impone un carico biomeccanico sostanziale, richiedendo alle articolazioni inferiori degli arti di generare un lavoro netto positivo maggiore per elevare il centro di massa^{del corpo 3}.

Per gli individui anziani, questa maggiore domanda biomeccanica è spesso accompagnata da strategie compensative specifiche. Le ricerche di Franz e Kram indicano che, con l'avanzare dell'età, la potenza prodotta durante la salita mostra un significativo "spostamento distalo-prossimale^"4. In particolare, la capacità propulsiva dei flessori plantari della caviglia diminuisce negli adulti anziani, che di conseguenza si affidano maggiormente agli estensori dell'anca (gluteo massimo e muscoli posteriori della coscia) per la produzione lavorativa; La proporzione di lavoro svolto dall'anca è significativamente più alta rispetto ai controlli più giovani ^4,5. Questo meccanismo compensatorio, sovrapposto alla sarcopenia legata all'età e alla ridotta riserva cardiopolmonare, comporta un costo fisiologico più elevato durante la locomozione in salita negli anziani, rendendoli altamente suscettibili alla fatica^{neuromuscolare 6}.

L'accumulo di stanchezza non solo limita la tolleranza all'esercizio, ma è anche strettamente legata a un aumento del rischio di^caduta. Studi precedenti hanno dimostrato che la fatica muscolare degli arti inferiori compromette la stabilità dell'andatura e riduce il minimo spazio per le dita dei piedi, aumentando così significativamente la probabilità di inciampare e^{cadere 7,8}. Pertanto, lo sviluppo di tecnologie assistive in grado di ritardare l'insorgenza della stanchezza è di grande importanza per garantire la sicurezza degli anziani durante le attività all'aperto.

La robotica esoscheletro indossabile offre una possibile via per affrontare questo^{problema 9}. Sebbene gli esoscheletro rigidi eccellono nell'erogare un'elevata coppia, la loro massa consistente spesso limita i gradi di libertà cinematici naturali del corpo. Questo può comportare una "penalità fisiologica" in cui il costo fisiologico aggiunto dall'uso del dispositivo compensa o addirittura supera i benefici derivanti dall'assistenza^10,11. Le ricerche di Browning et al. hanno confermato che aggiungere 1 kg agli arti inferiori distali aumenta significativamente il costo fisiologico, un onere non trascurabile per gli anziani con capacità fisica^{limitata 10}. Per superare questa limitazione, sono emersi "esoschili morbidi" basati su tessuti flessibili e trasmissione con cavi Bowden, progettati per minimizzare l'interferenza con l'andatura naturale migliorando la conformità^{uomo-macchina 12}.

Sebbene studi che coinvolgono giovani coorti sane abbiano confermato che l'assistenza all'anca può ridurre il costo fisiologico della camminata^{a livello 13}, la ricerca rivolta agli adulti anziani nello scenario ad alta domanda fisiologica della camminata inclinata rimane relativamente scarsa. Data la maggiore dipendenza dal lavoro dell'anca durante la camminata in salita negli anziani ^4,14, questo studio ipotizza che un esoscheletro dell'anca leggero e morbido, fornendo una coppia assistita alla flessione precisa dell'anca, possa superare efficacemente la penalità fisiologica della propria massa, riducendo così significativamente l'Indice di Costo Fisiologico (PCI) e la fatica soggettiva (RPE) degli anziani durante un compito di camminata inclinata del 15%. Per testare questa ipotesi, questo studio segue un disegno crossover randomizzato all'interno del soggetto. La preparazione iniziale del soggetto e l'adattamento del dispositivo sono eseguite da personale non cieco, mentre la valutazione formale della camminata è supervisionata da un valutatore cieco.

Protocollo

Il protocollo dello studio è stato approvato dal Clinical Research Ethics Committee del First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine (Approvazione n. 2024-Research-022). Tutte le procedure sperimentali furono eseguite secondo i principi della Dichiarazione di Helsinki.

Reclutamento e selezione dei soggetti
Per questo studio, 20 adulti anziani sani (di età compresa tra 60 e 75 anni) sono stati reclutati dal First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of^{Medicine 15}. I soggetti sono stati sottoposti a screening secondo i seguenti criteri di inclusione: età 60–75 anni; capacità di camminare in modo indipendente senza dispositivi di assistenza; capacità di camminare continuamente sul tapis roulant per ≥15 minuti; e punteggio MMSE ≥24. Soggetti con ipertensione non controllata (pressione a riposo ≥160/100 mmHg); angina instabile, aritmia grave o infarto miocardico entro 6 mesi; ictus, morbo di Parkinson, vertigini gravi o neuropatia periferica; frattura dell'arto inferiore o chirurgia ortopedica entro 12 mesi; osteoartrite grave o artrite reumatoide; ferite aperte, ulcere, dermatite, gravi vene varicose o allergie alle cinghie nelle aree di contatto con l'esoscheletro; IMC >30 kg/^{m 2}; o le dimensioni della carrozzeria al di fuori dell'intervallo del dispositivo venivano escluse. È stato ottenuto un consenso informato scritto e sono state registrate metriche antropometriche di base, tra cui altezza, peso e frequenza cardiaca a riposo.

Configurazione sperimentale
Il tapis roulant era impostato a 3,5 km/h con inclinazione del 15%. Un cordino di sicurezza magnetico era collegato dalla cintura del partecipante all'interruttore di fermata automatica del tapis roulant, e un ricercatore supervisore manteneva un accesso continuo all'arresto manuale di emergenza. Il dispositivo esoscheletro è stato preparato prima dei test. Il livello di carica della batteria è stato verificato al >90%. Le unità di trasmissione venivano ispezionate manualmente per confermare l'assenza di aggrovigliamenti dei cavi, blocchi meccanici o attrito eccessivo nei meccanismi di trasmissione. L'esoscheletro forniva modalità di assistenza adattive al terreno (Salita, Discesa, Piatta) con 5 livelli di intensità (fino a 18 Nm). La modalità Climbing incorporava un algoritmo di apprendimento dell'andatura e un meccanismo inclinato (intervallo 0–90°) per sincronizzare la coppia di flessione dell'anca con la fase di camminata del portatore che lo indossava. La magnitudine dell'assistenza, prevalentemente ai livelli 3 o 4, è stata personalizzata in base alla tolleranza soggettiva durante l'adattamento. Ai soggetti è stato dotato di un cardiofrequenzimetro per la registrazione continua dei dati. La scala RPE di Borg (6–20) e la scala del dolore VAS (0–10) sono state stampate su carta A4 e posizionate nella linea di vista libera del partecipante per garantire un'accessibilità immediata durante i test.

Indossazione e adattamento del dispositivo (fase non cieca)
Una dimensione appropriata del dispositivo è stata selezionata in base all'altezza del partecipante (Dimensione L per l'altezza >165 cm; Misura M per altezza ≤165 cm). I soggetti sono stati assistiti a indossare le spalline e l'altezza del modulo posteriore è stata regolata per allineare coassialmente le unità motorie laterali dell'anca con il trocanter maggiore. La fibbia magnetica della vita era fissata e le cinghie di regolazione laterali venivano strette sopra la cresta iliaca per ancorare saldamente il dispositivo al bacino e prevenire lo slittamento durante l'azionamento. Le connessioni delle gambe erano fissate. I montanti delle cosce erano allineati circa 5–10 cm sopra la rotula. I ganci furono fissati e il quadrante Boa fu ruotato in senso orario per stringere le cinghie delle cosce. La tensione della fascia veniva verificata mantenendo circa 1,0–1,5 cm di spazio tra la cinghia e la pelle quando tirata perpendicolarmente alla pelle. I soggetti hanno eseguito squat e sollevamenti alti delle gambe per verificare l'assenza di interferenze meccaniche o di eccessiva tensione dei cavi (Figura 1). È stata condotta una sessione di adattamento di 15 minuti per il^{numero 16} . I soggetti hanno camminato senza il dispositivo sul tapis roulant a 3,5 km/h e con una pendenza del 15% per 5 minuti. I soggetti hanno camminato con l'esoscheletro non alimentato (EXO_OFF) per 5 minuti. I soggetti hanno camminato con l'esoscheletro motorizzato (EXO_ON) per 5 minuti mentre l'intensità dell'assistenza è aumentata gradualmente dal livello 1 al livello di comfort del soggetto (livelli 3 o 4). I soggetti poi si sono riposati seduti per 20 minuti prima delle prove formali. Il periodo di riposo di 20 minuti ha garantito che la frequenza cardiaca e lo sforzo percepito tornassero ai livelli di base¹⁷.

Intervento e accecamento
L'ordine delle tre condizioni sperimentali è stato randomizzato utilizzando una sequenza generata al computer per minimizzare gli effetti di apprendimento e affaticamento. Nella condizione NO_EXO, i soggetti camminavano con abbigliamento sportivo standard senza l'esoscheletro. Nella condizione EXO_ON, il dispositivo veniva attivato in modalità Arrampicata con l'intensità di assistenza impostata al livello 3 o 4. Il livello esatto di assistenza è stato determinato verificando un ritmo di camminata stabile senza instabilità posturale visibile, movimenti compensatori o resistenza segnalata alla coppia del dispositivo. Tutti gli indicatori LED (luci di alimentazione e modalità) erano coperti con nastro isolante nero sia in condizioni di EXO_ON che di EXO_OFF per mantenere l'accecamento visivo. È stato previsto un periodo di riposo seduta di 40 minuti tra le prove per permettere al ritorno della frequenza cardiaca e della fatica al livello di base.

Compito simulato di camminata in salita (valutazione cieca)
I soggetti camminavano sul tapis roulant per 15 minuti e venivano incoraggiati a mantenere una camminata naturale senza tenere le ringhiere, salvo che fosse necessario per sicurezza. La frequenza cardiaca (FC) veniva registrata continuamente. I 180 punti dati sulla frequenza cardiaca raccolti dal minimo 12:00 alle 15:00 a una frequenza di campionamento di 1 Hz sono stati mediati per calcolare la frequenza cardiaca a stato stazionario. La frequenza cardiaca assolutamente più alta registrata durante il compito è stata definita come HR_Peak. Al minimo 14, i soggetti hanno riportato il loro livello di sforzo utilizzando la scala RPE di Borg. Immediatamente dopo il completamento del compito (entro 1 minuto), la scala VAS è stata utilizzata per valutare l'integrità della pelle e il dolore articolare. Le aree a contatto con la pelle sono state ispezionate visivamente per eritema, vesciche o segni di pressione. Il dolore articolare è stato registrato utilizzando una scala VAS da 0 a 10 cm, dove 0 indicava nessun dolore e 10 indicava il dolore peggiore immaginabile. I punteggi ≥4 sono stati considerati un disagio clinicamente significativo e richiedevano ulteriori valutazioni. L'Indice di Costo Fisiologico (PCI) è stato calcolato utilizzando la formula adattata da MacGregor¹⁸: PCI = (Frequenza cardiaca a camminare − Frequenza cardiaca a riposo) / Velocità di camminata, espressa in battiti per minuto per chilometro orario (battiti/min/km/h).

Analisi statistica

Le variabili di esito sono state confrontate tra le condizioni utilizzando ANOVA, con le dimensioni dell'effetto riportate come eta-quadrato parziale (η²p). I confronti a coppie post hoc utilizzavano test t accoppiati corretti da Bonferroni, e sono stati calcolati i dz di Cohen con IC al 95% (Tabella Supplementare 1). L'ordine delle condizioni è stato bilanciato, con periodi di riposo tra una prova e l'altra per minimizzare gli effetti di riporto. Il significato è stato fissato a p < 0,05.

Risultati

Caratteristiche del soggetto

Un totale di 20 adulti anziani sani (10 maschi, 10 femmine) hanno completato lo studio. I soggetti avevano un'età media di 63,45 ± 3,70 anni, un'altezza di 1,65 ± 0,07 m, un peso di 60,51 ± 6,59 kg e un indice di massa corporea (IMC) di 22,13 ± 1,58 kg/^m2 (Tabella 1). Tutti i soggetti hanno completato con successo le tre condizioni di camminata (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) senza eventi avve...

Discussione

Questo studio ha valutato l'impatto di un esoscheletro dell'anca leggero e morbido sulle metriche fisiologiche e psicologiche negli anziani durante una camminata simulata in salita, utilizzando un disegno randomizzato e crossover. I risultati mostrano che, rispetto alla condizione di base (NO_EXO) e alla condizione di usura passiva (EXO_OFF), la modalità di assistenza attiva (EXO_ON) ridusse significativamente la PCI e la valutazione soggettiva di fatica (RPE). Questo risultato supporta ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Borg RPE Scale	N/A	6-20 Scale	Scala standardizzata per la valutazione del Rating of Perceived Exertion.
GraphPad Prism	GraphPad Software	Versione 9.0	Utilizzato per la visualizzazione dei dati e la generazione di boxplot.
Medical Weight/Height Scale	Meilen	M-C-MSG100	Utilizzato per le misurazioni delle caratteristiche fisiche di base (BMI).
Soft Hip Exoskeleton (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	Tuta robotica morbida leggera (2,3 kg) che fornisce assistenza per la flessione dell'anca.
SPSS Statistics Software	IBM	Versione 26.0	Utilizzato per l'analisi statistica.
Standard Motorized Treadmill	YPOO	M5max	Utilizzato per la simulazione della camminata in salita a una pendenza del 15% e a 3,5 km/h.
Visual Analog Scale (VAS)	N/A	Linea da 10 cm	Utilizzato per la valutazione soggettiva del dolore e del disagio degli arti inferiori.
Wearable smart band	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	Bracciale smart indossabile utilizzato per il monitoraggio in tempo reale della frequenza cardiaca e dell'ossigeno nel sangue.