柔らかい股関節外骨格は、高齢者の上り歩行時の生理的負担と認知される運動量を軽減します

サマリー

このプロトコルは、軽量で柔らかい股関節外骨格が高齢者の登り歩行時の生理的ストレス軽減に効果的であることを評価します。ランダム化クロスオーバー設計を用いることで、この手法は高齢者の生理的コストと主観的疲労を大幅に減少させることを示しました。

要約

山岳ハイキングや登山は、活動的な高齢者が心肺機能を維持するためによく行う活動です。しかし、これらの活動の高い生理的負担は、しばしば神経筋疲労の発症を早めます。この疲労は、転倒や筋骨格系の捻挫などのスポーツ関連怪我のリスク要因となります。本研究は、軽量の柔らかい股関節外骨格がこれらのリスクを軽減し、高齢者の安全な身体活動をシミュレート登山課題で支援できるかどうかを調査することを目的としています。20名の健康な高齢者(63.45歳±3.70歳)が、傾斜15%で3.5 km/hに設定されたトレッドミル上でランダム化クロスオーバー試験に参加しました。参加者は3つの条件で15分間歩きました:外骨格なし(NO_EXO)、外骨格アクティブ(EXO_ON)、外骨格受動(EXO_OFF)。アウトカムには生理的コスト指数(PCI)、ピーク心拍数(HR_Peak)、知覚運動評価(Borg RPE)が含まれていました。積極的支援(EXO_ON)は生理学的コスト指数を13.80±1.51に大幅に低下させ、NO_EXO(14.68±2.11)とEXO_OFF(15.35±1.83)を大きく下回りました。 p = 0.033)。同様に、RPEは能動的支援(12.95 ± 1.15)と有意に低く、補助なし(13.50 ± 1.19)や受動的(14.00 ± 1.17)の状態(p = 0.023)よりも低かった。ピーク心拍数はEXO_ONで最も低く(133.65 ± 7.74 bpm)でしたが、疾患間の違いは統計的に有意ではありませんでした(p = 0.267)。この装置は自身の質量による生理的負担を効果的に相殺し、心肺活動の純粋な減少をもたらし、PCIとRPEの低下が示されています。これらの発見は、柔らかい股関節外骨格が高齢者の登り歩行時の歩行効率を向上させ、知覚される運動量を減らす可能性を示唆しています。

概要

世界人口の高齢化に伴い、高齢者の機能的な移動を維持することは重要な公衆^{衛生上の課題}となっています。定期的な有酸素運動は心血管疾患、筋骨格系の変性、認知機能低下の予防に明確な保護効果を発揮^します。さまざまな身体活動の中で、アウトドアハイキングや登山は、社会的交流と有酸素運動効果の組み合わせにより、高齢者の間で広く受け入れられるレジャー活動となっています^。しかし、平坦な歩行と比べて、上り坂歩行は大きな生体力学的負荷を伴い、下肢関節がより多くの正の仕事を生み出して体の重心を持ち上げ^{る必要があります。}

高齢者の場合、この生体力学的需要の増加は特定の補償戦略を伴うことが多いです。フランツとクラムの研究によると、年齢が進むにつれて上り坂歩行時の出力が「遠位から近位へのシフ^ト」が顕著になる4。具体的には、高齢者では足首足底屈筋の推進力が低下し、その結果、労働を生み出すために股関節伸筋(臀筋とハムストリングス)により依存するようになっています。股関節が行う仕事の割合は、若年型の対照群よりも有意に多いです ^4,5。この補償的メカニズムは、加齢に伴う肉減少症や心肺予備力の低下に重なり合い、高齢者の上り坂移動時の生理的コストを高くし、神経筋疲労に非常に敏感^{になります。}

疲労の蓄積は運動耐性を制限するだけでなく、転倒リスクの増加とも密接^{に関連しています。}以前の研究では、下肢の筋肉疲労が歩行の安定性を乱し、最小の指のクリアランスを減少させることで、つまずきや転倒の確率を大幅に増加させることが示^{されています。}したがって、疲労の発症を遅らせることができる補助技術の開発は、屋外活動中の高齢者の安全を確保する上で非常に重要です。

ウェアラブル外骨格ロボティクスは、^{この問題に対処する}ための潜在的な道筋を提供します。剛性のある外骨格は高いトルク出力に優れていますが、その大きな質量が体の自然な運動学的自由度を制限することが多いです。これにより、「生理的ペナルティ」が生じることがあり、デバイス装着による生理的コストが支援から得られる利益を相殺または上回ること^{もあります。}Browningらの研究は、遠位下肢に1kgを加えることで生理的コストが大幅に増加することを確認しており、これは身体能力が制限された高齢者にとって無視できない負担です¹⁰。この制約を克服するために、柔軟な繊維とボーデンケーブル伝達を基盤とした「ソフトエクソスーツ」が登場し、人間と^{機械のコンプライアンス}を向上させることで自然な歩行への干渉を最小限に抑えるよう設計されています。

若年健康なコホートを対象とした研究では、股関節補助がレベルウォーキング¹³の生理学的コストを軽減できることが確認されていますが、高齢者を対象とした研究は、傾斜歩行という生理学的負担が高いシナリオで行われています。高齢者における上り坂歩行時の股関節運動への依存度が高まっていることを踏ま^え、本研究は軽量で柔らかい股関節外骨格が、正確な股関節屈曲補助トルクを提供することで、自身の質量による生理的負担を効果的に克服し、15%傾斜の歩行時における高齢者の生理的コスト指数(PCI)および主観的疲労(RPE)を大幅に減少させると仮説を立てています。この仮説を検証するために、本研究は被験者内ランダム化クロスオーバーデザインを採用しています。被験者の初期準備と装置装着は非盲検スタッフが行い、正式な歩行評価は盲検評価者が監督します。

プロトコル

この研究プロトコルは、浙江大学医学院第一附属病院臨床研究倫理委員会(承認番号2024-Research-022)によって承認されました。すべての実験手順はヘルシンキ宣言の原則に従って実施されました。

被験者募集とスクリーニング
本研究では、浙江大学医学院第一附属病院から60歳から75歳までの健康な高齢者20名が募集^{されました。}被験者は以下の納入基準でスクリーニングされました:年齢60〜75歳;補助具なしで自立歩行が可能であること、トレッドミルで≥15分間連続歩行できる能力;MMSEスコア≥24。制御不能の高血圧(安静時血圧≥160/100 mmHg)の被験者;不安定狭心症、重度の不整脈、または6か月以内に心筋梗塞が認められた場合;脳卒中、パーキンソン病、重度のめまい、末梢神経障害;下肢骨折または整形外科手術が12か月以内に行われている場合;重度の変形性関節症またはリウマチ性関節炎、開放創、潰瘍、皮膚炎、重度の静脈瘤、または外骨格接触部位のストラップアレルギー;BMI>30 kg/m²;または装置の範囲外のボディサイズは除外されました。書面によるインフォームドコンセントを取得し、身長、体重、安静時心拍数などのベースライン人体計測指標を記録しました。

実験装置
トレッドミルは3.5 km/h、傾斜15%に設定されていました。参加者のベルトからトレッドミルの自動停止スイッチに磁気安全ランヤードが取り付けられ、監督研究者が手動緊急停止装置への継続的なアクセスを維持していました。外骨格装置は試験前に準備されていました。バッテリーの充電レベルは>90%であることが確認されました。駆動ユニットは手動で点検され、ケーブルの絡まり、機械的拘束、トランスミッション機構の過剰な摩擦がないか確認されました。外骨格は地形適応支援モード(クライミング、ダウンヒル、フラット)を提供し、5段階の強度レベル(最大18Nm)を備えました。クライミングモードは歩行学習アルゴリズムと角度トリガー機構(0〜90°の範囲)を組み込み、股関節の屈曲トルクを装着者の歩様相と同期させました。アシストの大きさは主にレベル3または4にあり、適応中の主観的耐性に基づいて個別化されました。被験者には心拍数モニターが装着され、継続的なデータ記録が行われました。ボルグRPEスケール(6–20)とVAS痛みスケール(0–10)はA4用紙に印刷され、参加者の視界の良い位置に配置され、検査中に即時にアクセスしやすくしました。

装置の装着と装着(盲目なしフェーズ)
参加者の身長に基づいて適切なデバイスサイズが選ばれました(身長>165cmはLサイズ;身長はMサイズ≤165cm)。被験者は肩章の装着を支援し、背中モジュールの高さを調整して側方股関節運動ユニットと大転子を同軸的に合わせました。磁気ウエストバックルが固定され、横方向調整ストラップは腸骨娴の上で締めて、装置を骨盤にしっかりと固定し、作動時の滑りを防ぎました。脚の接続は確保された。太ももの支柱は膝蓋骨の約5〜10cm上に整列していました。フックを固定し、ボアダイヤルを時計回りに回して太もものストラップを締めました。ストラップの張力は、ストラップと皮膚の間に約1.0〜1.5cmの隙間を保つことで確認されました。被験者はスクワットやハイレッグリフトを行い、機械的な干渉や過剰なケーブル張力の有無を確認しました(図1)。15分間の適応セッション¹⁶ が実施されました。被験者はトレッドミル上で装置なしで3.5 km/h、傾斜15%で5分間歩きました。被験者は動力のない外骨格(EXO_OFF)と5分間歩行しました。被験者はパワードエキスケルトン(EXO_ON)を5分間歩きながら、補助強度をレベル1から被験者の快適レベル(レベル3または4)まで徐々に増強しました。被験者は正式な試験前に20分間座ったまま休みました。20分の休息期間により、心拍数と認知される運動量は基準値¹⁷に戻りました。

介入と盲検
3つの実験条件の順序は、学習と疲労の影響を最小限に抑えるためにコンピュータ生成シーケンスを用いてランダム化されました。NO_EXO条件下では、被験者は外骨格なしで標準的なスポーツウェアを着て歩きました。EXO_ON状態では、装置はクライミングモードでアクシスト強度をレベル3または4に設定して作動しました。正確な補助レベルは、目に見える姿勢の不安定性、代償的動き、または機器トルクに対する抵抗が報告されていない安定した歩行リズムを確認することで決定されました。すべてのLEDインジケーター(電源およびモードランプ)は、EXO_ON・EXO_OFFの両方で黒い電気テープで覆われ、視覚のまぶしさを維持していました。試験間には心拍数と疲労感をベースラインに戻すために40分間の座着休息が設けられました。

模擬登り歩行課題(ブラインド評価)
被験者はトレッドミルで15分間歩き、安全のため必要がない限り手すりを持たずに自然な歩行を維持するよう奨励されました。心拍数(HR)は継続的に記録されました。12:00から15:00の間に180の心拍データポイントを1Hzのサンプリングレートで平均して定常心拍数を算出しました。課題中に記録された絶対的な最高心拍数はHR_Peakと定義されました。14分で被験者はボルグRPEスケールで運動量を報告しました。課題完了直後(1分以内)、VASスケールを用いて皮膚の完全性と関節痛を評価しました。皮膚接触部は紅斑、水ぶくれ、圧迫痕の有無を目視で検査しました。関節痛は0〜10cmのVASスケールで記録され、0は痛みなし、10は想像しうる最悪の痛みを示しました。スコア≥4は臨床的に有意な不快感とみなされ、さらなる評価が必要とされました。生理的コスト指数(PCI)は、MacGregor¹⁸から応用した式を用いて計算されました:PCI = (歩行心拍数 − 安静時心拍数) / 歩行速度。これは拍数/分/キロメートル/時間(拍数/分/km/h)で表されます。

統計解析

結果変数はANOVAを用いて各疾患間で比較され、効果量は部分的なeta二乗(η^2p)で報告されました。事後比較ではボンフェローニ補正ペアt検定を用い、95%のCIを持つコーエンズdzを算出しました(補足表1)。条件の順序は相殺され、試験間に休憩期間を設けて継続効果を最小限に抑えました。有意性は p < 0.05に設定されました。

結果

被験者の特徴

合計20人の健康な高齢者(男性10人、女性10人)が研究を完了しました。被験者の平均年齢は63.45歳±3.70歳、身長は1.65 ± 0.07 m、体重は60.51 ± 6.59 kg、体格指数(BMI)は22.13 ± 1.58 kg/m² でした(表1参照)。被験者は全員、3つの歩行条件(NO_EXO、EXO_ON、EXO_OFF)を無事に完了し、有害事象は報告されませんでした。

生理学的コスト指数

繰り返し測定のANOVAでは、3つの条件間でPCIに有意な差が示されました(F = 3.61、η 2 p = 0.112、中等効果;p = 0.033)。能動支援モード(EXO_ON)は最も生理学的コストが最...

ディスカッション

本研究は、無作為化クロスオーバーデザインを用いて、模擬登り歩行中の高齢者の生理的および心理的指標に与える軽軽量で柔らかい股関節外骨格の影響を評価しました。結果は、ベースライン状態(NO_EXO)および受動摩耗状態(EXO_OFF)と比較して、アクティブアシスタンスモード(EXO_ON)がPCIおよび主観的疲労評価(RPE)を有意に低下させたことを示しています。この発見は、高齢者の負荷の高い歩行作業中に、標的を絞った股関節補助が生理的ストレスを効果的に軽減できるという仮説を支持しています。

外骨格系の臨床翻訳の核心は、「補助的利益」と「ウェアラブル・ロード」とのバランスを取ることにあります¹¹。本研究では、EXO_OFFの状態でのPCIがベースラインと比べてわずかに上昇しており、これはBrowningらが述べた、四肢に質量を加えることによる生理的コスト増加に関する古典的な説明と一致する現象である¹⁰。高齢者は筋力の蓄えが比...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Borg RPE Scale	N/A	6-20 Scale	被認識運動の程度を評価するための標準化されたスケール。
GraphPad Prism	GraphPad Software	Version 9.0	データの視覚化とボックスプロットの生成に使用されます。
Medical Weight/Height Scale	Meilen	M-C-MSG100	身体的特徴の基準測定（BMI）に使用されます。
Soft Hip Exoskeleton (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	軽量のソフトロボットスーツ（2.3 kg）で、股関節の屈曲を支援します。
SPSS Statistics Software	IBM	Version 26.0	統計分析に使用されます。
Standard Motorized Treadmill	YPOO	M5max	15%の傾斜と時速3.5 kmでの上り坂をシミュレートして使用されます。
Visual Analog Scale (VAS)	N/A	10 cm line	下肢の痛みと不快感の被験者評価に使用されます。
Wearable smart band	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	リアルタイムの心拍数と血中酸素濃度のモニタリングに使用されるウェアラブルスマートバンド。