부드러운 엉덩이 외골격은 오르막 걷기 시 노인의 생리적 비용과 인지되는 운동을 줄여줍니다

요약

이 프로토콜은 노인의 오르막 걷기 시 생리적 스트레스를 줄이는 데 있어 경량의 부드러운 고관절 외골격의 효능을 평가합니다. 무작위 교차 설계를 사용하여 이 장치는 노인의 생리적 비용과 주관적 피로를 크게 줄인다는 것을 입증했습니다.

초록

산악 등산과 등산은 활동적인 노인들이 심혈관 건강을 유지하기 위해 흔히 하는 활동입니다; 하지만 이러한 활동의 높은 생리학적 요구는 신경근 피로의 발현을 가속화하는 경우가 많습니다. 이러한 피로는 낙상이나 근골격계 염좌와 같은 스포츠 관련 부상의 중요한 위험 요인입니다. 이 연구는 가벼운 부드러운 고관절 외골격이 이러한 위험을 완화하고 노인들의 안전한 신체 활동을 지원할 수 있는지 조사하는 것을 목표로 합니다. 20명의 건강한 노인(63.45세± 3.70세)이 3.5 km/h로 15% 경사를 설정한 러닝머신에서 무작위 교차 실험에 참여했습니다. 참가자들은 세 가지 조건 하에 15분간 걸었습니다: 외골격 없음(NO_EXO), 외골격 능동(EXO_ON), 외골격 수동 상태(EXO_OFF). 결과에는 생리학적 비용 지수(PCI), 최고 심박수(HR_Peak), 인지된 운동 평가(보그 RPE)가 포함되었습니다. 능동적 지원(EXO_ON)은 생리학적 비용 지수를 13.80± 1.51로 크게 낮췄으며, 이는 NO_EXO년(14.68 ± 2.11)과 EXO_OFF(15.35 ± 1.83)보다 낮았다; p = 0.033). 마찬가지로, 능동적 보조 상태(12.95 ± 1.15)는 보조 없이 (13.50 ± 1.19) 또는 수동 상태(14.00 ± 1.17) 상태보다 유의하게 낮았다(p = 0.023). 최고 심박수는 EXO_ON에서 가장 낮았음에도 불구하고(133.65 ± 7.74 bpm), 질환 간 차이는 통계적으로 유의미하지 않았습니다(p = 0.267). 이 장치는 자신의 질량에 따른 생리적 부담을 효과적으로 상쇄하여 심혈관 노력을 순감소시키며, 이는 PCI와 RPE가 낮아지는 것으로 나타납니다. 이러한 발견은 부드러운 고관절 외골격이 노인의 오르막 보행 시 보행 효율을 높이고 인지되는 과로를 줄일 수 있음을 시사합니다.

서론

전 세계 인구가 고령화됨에 따라 노인의 기능적 이동성 유지는 중요한 공중보^{건 과제가} 되었습니다. 규칙적인 유산소 운동은 심혈관 질환, 근골격계 퇴행, 인지 저하 예방에 명확한 보호 역할을 합니다^. 다양한 신체 활동 중에서, 야외 하이킹과 등산은 사회적 교류와 유산소 체력 향상의 결합 덕분에 노인들에게 널리 채택된 여가 활동입니다^. 하지만 평탄한 걷기와 비교할 때, 오르막 걷기는 상당한 생체역학적 부하를 가해, 신체 중심을 올리기 위해 더 많은 순양의 일을 생성하기 위해 하부 관절이 필요합니다.

노인의 경우, 이러한 증가된 생체역학적 요구는 종종 특정 보상 전략과 함께 나타납니다. 프란츠와 크람의 연구에 따르면, 나이가 들수록 오르막 걷기 시 힘 출력이 '원위에서 근위로 크게 이동'하는 것으로 나타난다^. 특히, 노인은 발목 족저 굴근의 추진 능력이 감소하여 고인은 노동 생산에 고관절 신전근(대둔근과 햄스트링)에 더 많이 의존하게 됩니다; 고관절이 수행하는 작업 비율은 젊은 대조군보다 훨씬 높다 ^4,5. 이 보상 기전은 연령 관련 근감소증과 심폐 예비력 감소에 겹쳐져 노인의 오르막 이동 시 생리적 비용을 높여 신경근 피로에 매우 취약하게 만듭니다.

피로의 축적은 운동 내성을 제한할 뿐만 아니라 낙상 위험 증가와도 밀접한 관련이^{있습니다.} 이전 연구들은 하체 근육 피로가 보행 안정성을 방해하고 최소 발가락 확보를 감소시켜 넘어지고 넘어질 확률을 크게 높인다는 것을 보여주었습니다 ^7,8. 따라서 피로 발병을 지연시킬 수 있는 보조기술 개발은 야외 활동 중 노인의 안전을 보장하는 데 매우 중요합니다.

웨어러블 외골격 로봇공학은^{이 문제를 해결}할 수 있는 잠재적 경로를 제공합니다. 단단한 외골격은 높은 토크 출력에 뛰어나지만, 상당한 질량 때문에 신체의 자연스러운 운동학적 자유도를 제한하는 경우가 많습니다. 이로 인해 장치를 착용함으로써 추가되는 생리학적 비용이 지원으로 인한 이익을 상쇄하거나 초과하는 '생리학적 페널티'가 발생할 수 있습니다^10,11. Browning 등의 연구는 말단 하지에 1kg을 추가하는 것이 생리적 비용을 크게 증가시키며, 신체 능력이 제한된 노인에게는 무시할 수 없는 부담임을 확인했습니다¹⁰. 이 한계를 극복하기 위해 유연한 섬유와 보든 케이블 전송을 기반으로 한 '소프트 엑소슈트'가 등장했으며, 이는 인간-^{기계 순응}성을 향상시켜 자연스러운 보행에 대한 간섭을 최소화하도록 설계되었습니다.

젊고 건강한 집단을 대상으로 한 연구들은 고관절 보조가 평^{평 걷기}의 생리적 비용을 줄일 수 있음이 확인되었지만, 경사진 걷기의 생리학적 요구가 높은 노인을 대상으로 한 연구는 여전히 상대적으로 드물다. 노년층에서 오르막 걷기 시 고관절 운동에 대한 의존도가 증가하는 점을 ^{고려할 때}, 이 연구는 경량의 부드러운 고관절 외골격이 정밀한 고관절 굴곡 보조 토크를 제공함으로써 자신의 질량이 주는 생리학적 부담을 효과적으로 극복할 수 있으며, 이를 통해 15% 경사 보행 시 노인의 생리학적 비용 지수(PCI)와 주관적 피로(RPE)를 크게 줄일 수 있다고 가정합니다. 이 가설을 검증하기 위해 본 연구는 피험자 내 무작위 교차 설계를 따릅니다. 초기 피험자 준비와 장비 착용은 비블라인 스태프가 수행하며, 공식 보행 평가는 블라인드 평가자가 감독합니다.

프로토콜

연구 프로토콜은 저장대학교 의과대학 제1부속병원 임상연구 윤리 위원회(승인 번호 2024-Research-022)에서 승인받았습니다. 모든 실험 절차는 헬싱키 선언의 원칙에 따라 수행되었다.

대상자 모집 및 선별
이 연구를 위해 저장대학교 의과대학 제1부속병원에서 60세에서 75세 사이의 건강한 노인 20명을 모집^했다. 대상자는 다음 포함 기준에 따라 선별되었습니다: 연령 60–75세; 보조기기 없이 독립적으로 걸을 수 있는 능력; 러닝머신에서 ≥15분 동안 연속 걸을 수 있는 능력; MMSE 점수는 ≥24. 조절 불가능한 고혈압(안정 시 혈압≥160/100 mmHg); 불안정 협심증, 심한 부정맥 또는 6개월 이내의 심근경색; 뇌졸중, 파킨슨병, 심한 현기증 또는 말초 신경병증; 12개월 이내에 하체 골절 또는 정형외과 수술을 받은 경우; 중증 골관절염 또는 류마티스 관절염; 개방성 상처, 궤양, 피부염, 심한 정맥류, 또는 외골격 접촉 부위의 스트랩 알레르기; BMI >30 kg/m²; 또는 장치 범위를 벗어난 신체 치수는 제외되었습니다. 서면 동의서를 받았고, 키, 체중, 안정 시 심박수 등 기초 인체 측정 지표를 기록하였습니다.

실험 장치
러닝머신은 3.5 km/h, 경사 15%로 설정되어 있었습니다. 참가자의 벨트에서 러닝머신 자동 정지 스위치에 자기 안전 랜야드가 부착되었고, 감독 연구원이 수동 비상 정지 장치에 지속적으로 접근할 수 있도록 했습니다. 외골격 장치는 시험 전에 준비되었습니다. 배터리 충전 수준은 >90%로 확인되었습니다. 구동 장치는 수동 점검을 통해 케이블 얽힘, 기계적 결합, 과도한 마찰 부재가 없는지 확인했습니다. 외골격은 지형 적응 보조 모드(등반, 내리막, 평지)를 제공했으며, 최대 18 Nm까지 5가지 강도 레벨을 제공했습니다. 클라이밍 모드는 보행 학습 알고리즘과 각도 트리거 메커니즘(0–90° 범위)을 통합하여 고관절 굴곡 토크를 착용자의 보행 단계와 동기화했습니다. 보조 등급은 주로 3 또는 4 수준에 위치하며, 적응 중 주관적 관용성에 따라 개인화되었다. 참가자들은 지속적인 데이터 기록을 위해 심박수 모니터를 착용했습니다. 보그 RPE 척도(6–20)와 VAS 통증 척도(0–10)는 A4 용지에 인쇄되어 참가자의 시야 범위 내에 배치하여 즉시 접근할 수 있도록 했습니다.

장치 착용 및 착용 (비블라인드 단계)
참가자 키에 따라 적절한 기기 크기가 선택되었습니다(> 165cm는 L 사이즈; 키 기준 M 사이즈≤165cm). 피험자들은 어깨끈 착용을 돕고, 백 모듈 높이가 조정되어 측측 고관절 운동 유닛이 대대전자와 동축 정렬되도록 조정되었습니다. 자석 허리 버클을 고정하고, 장골능 위에서 측면 조정 스트랩을 조여 장치를 골반에 단단히 고정하고 작동 시 미끄러짐을 방지했습니다. 다리 연결도 확보됐어. 허벅지 지지대는 슬개뼈 위 약 5–10cm 위치에 정렬되어 있었습니다. 후크가 고정되었고, 보아 다이얼을 시계 방향으로 돌려 허벅지 끈을 조였다. 스트랩 장력은 스트랩과 피부 사이에 약 1.0–1.5cm 간격을 유지하여 피부에 수직으로 당겼을 때 확인되었습니다. 피험자들은 기계적 간섭이나 과도한 케이블 장력이 없음을 확인하기 위해 스쿼트와 하이 레그 리프트를 수행했습니다(그림 1). 15분 분량의 각색 세션¹⁶ 이 진행되었습니다. 피험자들은 러닝머신에서 3.5km/h, 경사 15%로 5분간 기기 없이 걸었습니다. 피험자들은 무력 외골격(EXO_OFF)과 함께 5분간 걸었습니다. 피험자들은 동력 외골격(EXO_ON)을 5분간 걸으며, 보조 강도를 점차 1단계에서 피실험자의 편안한 수준(3 또는 4)으로 증가시켰습니다. 피험자들은 공식 시험 전 20분간 앉은 자세로 휴식을 취했습니다. 20분 휴식 기간 동안 심박수와 인지되는 운동 수준이 기준¹⁷로 돌아갔습니다.

개입과 실명
세 가지 실험 조건의 순서는 학습 및 피로 효과를 최소화하기 위해 컴퓨터 생성 순서를 통해 무작위로 조정되었습니다. NO_EXO 상태에서는 외골격 없이 표준 스포츠복을 입고 걸었다. EXO_ON 상태에서는 장치가 클라이밍 모드에서 활성화되었으며, 보조 강도는 3 또는 4로 설정되었습니다. 정확한 보조 수준은 눈에 띄는 자세 불안정성, 보상적 움직임, 또는 장치 토크에 대한 저항이 보고된 상태가 없는 안정적인 보행 리듬을 검증하여 결정되었습니다. 모든 LED 표시등(전원 및 모드 조명)은 시각 가시를 유지하기 위해 EXO_ON 및 EXO_OFF 조건에서 검은색 전기 테이프로 덮였습니다. 심박수와 피로 수준이 기준선으로 돌아올 수 있도록 시험 사이에 40분간의 앉아 휴식 시간이 제공되었습니다.

모의 오르막 걷기 과제 (블라인드 평가)
참가자들은 러닝머신에서 15분간 걸었으며, 안전을 위해 필요하지 않으면 난간을 잡지 않고 자연스러운 걷기를 유지하도록 권장받았습니다. 심박수(HR)는 지속적으로 기록되었습니다. 최소 12:00부터 15:00까지 1Hz 샘플링 속도로 수집된 180개의 심박수 데이터 포인트를 평균화하여 정상 상태 심박수를 계산했습니다. 과제 중 기록된 절대 최고 심박수는 HR_Peak으로 정의되었습니다. 14분에 피험자들은 보그 RPE 척도를 사용해 운동 수준을 보고했습니다. 과제 완료 직후(1분 이내) VAS 척도를 사용해 피부 완전성과 관절 통증을 평가하였습니다. 피부 접촉 부위는 홍반, 물집, 압박 자국 등을 육안으로 검사했습니다. 관절 통증은 0–10 cm VAS 척도로 기록되었으며, 0은 통증 없음, 10은 상상할 수 있는 최악의 통증을 의미했습니다. 점수 ≥4는 임상적으로 유의미한 불편함으로 간주되어 추가 평가가 필요했습니다. 생리학적 비용 지수(PCI)는 MacGregor¹⁸에서 채택한 공식을 사용하여 계산되었습니다: PCI = (보행 심박수 − 안정 시 심박수) / 보행 속도, 즉 분당 박동수, 시간당 킬로미터(박수/분/km/h)로 표현됨.

통계 분석

결과 변수는 ANOVA를 사용하여 여러 조건에서 비교되었으며, 효과 크기는 부분 에타제곱(η^2p)으로 보고되었습니다. 사후 쌍별 비교는 Bonferroni 보정 쌍 t-검정을 사용했으며, 95% 신뢰구간을 가진 Cohen의 dz를 계산하였습니다(보충표 1). 조건 순서는 균형을 맞춰 임상시험 사이에 휴식 기간을 두어 이월 효과를 최소화했습니다. 유의성은 p < 0.05로 설정되었습니다.

결과

주체적 특징

총 20명의 건강한 노인(남성 10명, 여성 10명)이 연구를 완료했습니다. 대상자들의 평균 연령은 3.70세± 63.45세, 키는 1.65 ± 0.07m, 체중은 60.51 ± 6.59 kg, 체질량지수(BMI)는 22.13 ± 1.58 kg/^{m 2} 였습니다(표 1). 모든 참가자는 보고된 부작용 없이 세 가지 보행 조건(NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF)을 성공적으로 수행하였습니다.

생리학적 비용 지수

반복 측정 ANOVA는 세 가지 조건에서 PCI에 유의한 차이를 보여주었습니다(F = 3.61, η²p = 0.112, 중간 효과; p...

토론

이 연구는 무작위 교차 설계를 사용하여 가볍고 부드러운 고관절 외골격이 노인의 생리적·심리적 지표에 미치는 영향을 평가했습니다. 결과는 기본 상태(NO_EXO)와 수동 착용 상태(EXO_OFF)와 비교했을 때, 능동 보조 모드(EXO_ON)가 PCI와 주관적 피로 등급(RPE)을 유의미하게 감소시켰음을 보여줍니다. 이 발견은 노인들이 무중한 걷기 작업 시 고인의 생리적 스트레스를 효과적으로 줄일 수 있다는 가설을 뒷받침합니다.

외골격 시스템의 임상 번역의 핵심은 '보조적 이점'과 '착용 가능한 부담'의 균형에 있습니다¹¹. 본 연구에서 EXO_OFF 상태의 PCI는 기준선에 비해 약간 높았으며, 이는 Browning 등이 사지에 질량을 추가하는 생리적 비용 증가에 관한 고전적 설명과 일치하는 현^상이다. 노인의 근력 예비력이 상대적으로 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Borg RPE 척도	N/A	6-20 척도	인지된 운동 강도 평가를 위한 표준화된 척도.
GraphPad Prism	GraphPad Software	버전 9.0	데이터 시각화 및 상자형 그림 생성에 사용됩니다.
의료용 체중/신장 척도	Meilen	M-C-MSG100	기본 신체 특성 측정(BMI)에 사용됩니다.
소프트 힙 엑소스켈레톤 (GOGO-H)	항저우 로보CT 기술 개발 유한공사	100189510835	하체 굴곡 보조 기능을 제공하는 가벼운 소프트 로봇 슈트(2.3 kg).
SPSS 통계 소프트웨어	IBM	버전 26.0	통계 분석에 사용됩니다.
표준 전동 트레드밀	YPOO	M5max	15% 경사 및 3.5 km/h에서 모의 오르막 걷기에 사용됩니다.
시각적 유사 척도(VAS)	N/A	10 cm 라인	하지 통증 및 불편감의 주관적 평가에 사용됩니다.
웨어러블 스마트 밴드	샤오미 커뮤니케이션스 유한공사	6932554419790	실시간 심박수 및 혈중 산소 수치 모니터링에 사용되는 웨어러블 스마트 밴드.