Onderzoeksartikel
Dit protocol evalueert de effectiviteit van een lichtgewicht zacht heup-exoskelet bij het verminderen van fysiologische stress tijdens klimmen bij oudere volwassenen. Met behulp van een gerandomiseerd crossover-ontwerp toont de methode aan dat het apparaat fysiologische kosten en subjectieve vermoeidheid bij ouderen aanzienlijk vermindert.
Bergwandelen en bergbeklimmen zijn veelvoorkomende activiteiten voor actieve ouderen om de cardiovasculaire conditie te behouden; echter, de hoge fysiologische eisen van deze activiteiten versnellen vaak het ontstaan van neuromusculaire vermoeidheid. Deze vermoeidheid is een kritieke risicofactor voor sportgerelateerde blessures, zoals vallen en musculoskeletale verrekkingen. Deze studie heeft als doel te onderzoeken of een lichtgewicht exoskelet van de zachte heup deze risico's kan beperken en veilige lichamelijke activiteit voor ouderen kan ondersteunen tijdens gesimuleerde bergbeklimmingen. Twintig gezonde oudere volwassenen (63,45 ± 3,70 jaar) namen deel aan een gerandomiseerde crossover-proef op een loopband met een helling van 15% van 3,5 km/u. Deelnemers liepen 15 minuten onder drie omstandigheden: Geen Exoskelet (NO_EXO), Exoskelet Actief (EXO_ON) en Exoskelet Passief (EXO_OFF). Uitkomsten omvatten de Fysiologische Kostenindex (PCI), Piekhartslag (HR_Peak) en Beoordeling van Waargenomen Inspanning (Borg RPE). Actieve hulp (EXO_ON) verlaagde de Fysiologische Kostenindex significant tot 13,80 ± 1,51, vergeleken met NO_EXO (14,68 ± 2,11) en EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). Evenzo was RPE significant lager bij actieve hulp (12,95 ± 1,15) dan bij niet-ondersteunde (13,50 ± 1,19) of passieve (14,00 ± 1,17) condities (p = 0,023). Hoewel de piekhartslag het laagst was in EXO_ON (133,65 ± 7,74 bpm), waren de verschillen tussen aandoeningen niet statistisch significant (p = 0,267). Het apparaat compenseert effectief de fysiologische last van zijn eigen massa, wat resulteert in een netto vermindering van cardiovasculaire inspanning, zoals blijkt uit lagere PCI en RPE. Deze bevindingen suggereren dat exoskeletten van zachte heupen de loopefficiëntie kunnen verbeteren en de waargenomen inspanning tijdens klimmen bij oudere volwassenen kunnen verminderen.
Naarmate de wereldbevolking ouder wordt, is het behouden van functionele mobiliteit bij ouderen eenbelangrijke uitdaging voor de volksgezondheid geworden. Regelmatige aerobe oefening speelt een duidelijke beschermende rol bij het voorkomen van hart- en vaatziekten, musculoskeletale degeneratie en cognitieve achteruitgang2. Onder de verschillende fysieke activiteiten zijn buitenwandelen en bergbeklimmen veel geaccepteerde vrijetijdsactiviteiten voor ouderen vanwege hun combinatie van sociale betrokkenheiden aerobe conditie. Echter, vergeleken met het vlakke lopen, legt klimmen bergop een aanzienlijke biomechanische belasting met zich mee, waarbij de gewrichten van de onderste ledematen nodig zijn om meer netto positief werk te genereren om het massacentrum van het lichaamte verhogen.
Voor oudere personen gaat deze verhoogde biomechanische vraag vaak gepaard met specifieke compenserende strategieën. Onderzoek van Franz en Kram wijst uit dat met toenemende leeftijd het vermogen tijdens het lopen bergop een significante "distale naar proximale verschuiving" vertoont. Specifiek neemt de voortstuwingscapaciteit van de enkel-plantaire buigers af bij oudere volwassenen, die daardoor meer afhankelijk zijn van de heupstrekers (gluteus maximus en hamstrings) voor de werkproductie; Het aandeel werk dat door de heup wordt verricht is significant hoger dan bij jongere controles 4,5. Dit compenserende mechanisme, bovenop leeftijdsgebonden sarcopenie en een verminderde cardiopulmonale reserve, resulteert in een hogere fysiologische kosten tijdens de opwaartse beweging bij oudere volwassenen, waardoor ze zeer vatbaar zijn voor neuromusculaire vermoeidheid6.
De opbouw van vermoeidheid beperkt niet alleen de inspanningstolerantie, maar hangt ook nauw samen met een verhoogd risico om te vallen7. Eerdere studies hebben aangetoond dat vermoeidheid van de onderbenen de loopstabiliteit verstoort en de minimale teenruimte vermindert, waardoor de kans op struikelen en vallen aanzienlijk toeneemtmet 7,8. Daarom is de ontwikkeling van ondersteunende technologieën die vermoeidheid kunnen vertragen van groot belang voor het waarborgen van de veiligheid van ouderen tijdens buitenactiviteiten.
Draagbare exoskeletrobotica bieden een potentiële route om dit probleem aan te pakken9. Hoewel stijve exoskeletten uitblinken in het leveren van een hoog koppel, beperkt hun aanzienlijke massa vaak de natuurlijke kinematische vrijheidsgraden van het lichaam. Dit kan resulteren in een "fysiologische straf" waarbij de fysiologische kosten die het dragen van het apparaat toevoegt de voordelen van de hulpcompenseren of zelfs overstijgen. Onderzoek van Browning et al. bevestigde dat het toevoegen van 1 kg aan de distale onderextremiteiten de fysiologische kosten aanzienlijk verhoogt, een niet verwaarloosbare last voor ouderen met beperkte fysieke capaciteit10. Om deze beperking te overwinnen, zijn "soft exosuits" op basis van flexibele textiel en Bowden-kabeltransmissie ontstaan, ontworpen om interferentie met het natuurlijke gang te minimaliseren door de naleving van mens-machinete verbeteren.
Hoewel studies met jonge, gezonde cohorten hebben bevestigd dat heupondersteuning de fysiologische kosten van gelijkmatig lopen13 kan verlagen, blijft onderzoek gericht op oudere volwassenen in het scenario met hoge fysiologische vraag van schuin lopen relatief schaars. Gezien de toegenomen afhankelijkheid van heupwerk tijdens heuvelopwaarts lopen bij ouderen 4,14, stelt deze studie de hypothese dat een lichtgewicht zacht heupexoskelet, door precieze heupflexie-ondersteunend koppel te bieden, effectief de fysiologische nadeel van zijn eigen massa kan overwinnen, waardoor de Physiological Cost Index (PCI) en subjectieve vermoeidheid (RPE) van ouderen tijdens een 15% hellende wandelopdracht aanzienlijk worden verlaagd. Om deze hypothese te testen, volgt deze studie een gerandomiseerd crossover-ontwerp binnen het subject. De eerste voorbereiding van het proefpersoon en het passen van het apparaat worden uitgevoerd door niet-blind personeel, terwijl de formele wandelbeoordeling wordt begeleid door een blinde beoordelaar.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het studieprotocol werd goedgekeurd door de Commissie voor Klinische Onderzoeksethiek van het Eerste Aangesloten Ziekenhuis, Zhejiang University School of Medicine (Goedkeuringsnummer 2024-Research-022). Alle experimentele procedures werden uitgevoerd in overeenstemming met de principes van de Verklaring van Helsinki.
Proefpersoonswerving en selectie
Voor deze studie werden 20 gezonde ouderen (60–75 jaar) gerekruteerd van The First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine15. Proefpersonen werden gescreend volgens de volgende inclusiecriteria: leeftijd 60–75 jaar; mogelijkheid tot zelfstandig lopen zonder hulpmiddelen; Vermogen om onafgebroken op een loopband te lopen gedurende ≥15 minuten; en een MMSE-score ≥24. Proefpersonen met ongecontroleerde hypertensie (rustbloeddruk ≥160/100 mmHg); onstabiele angina, ernstige hartritmestoornissen of myocardinfarct binnen 6 maanden; beroerte, de ziekte van Parkinson, ernstige duizeligheid of perifere neuropathie; onderbeenfractuur of orthopedische chirurgie binnen 12 maanden; ernstige artrose of reumatoïde artritis; open wonden, zweren, dermatitis, ernstige spataderen of bandallergieën bij contactgebieden van het exoskelet; BMI >30 kg/m2; of carrosserieafmetingen buiten het apparaatbereik werden uitgesloten. Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen en antropometrische basisstatistieken, waaronder lengte, gewicht en rusthartslag, werden geregistreerd.
Experimentele opstelling
De loopband stond op 3,5 km/u en een helling van 15%. Een magnetische veiligheidskoord werd van de riem van de deelnemer bevestigd aan de auto-stop schakelaar van de loopband, en een supervisieonderzoeker hield continu toegang tot de handmatige noodstop. Het exoskeletapparaat werd voorbereid vóór het testen. Het batterijlaadniveau werd bevestigd op >90%. De aandrijfunits werden handmatig geïnspecteerd om te bevestigen dat er geen kabelverstrikking, mechanische vastzitten of overmatige wrijving in de transmissiemechanismen was. Het exoskelet bood terrein-adaptieve hulpmodi (klimmen, afdalen, vlak) met 5 intensiteitsniveaus (tot 18 Nm). Climbing Mode bevatte een gang-leeralgoritme en een hoek-geactiveerd mechanisme (0–90° bereik) om heupflexiekoppel te synchroniseren met de loopfase van de drager. De magnitude van hulp, voornamelijk op niveau 3 of 4, werd gepersonaliseerd op basis van subjectieve tolerantie tijdens de aanpassing. De proefpersonen kregen een hartslagmonitor voor continue gegevensregistratie. De Borg RPE-schaal (6–20) en de VAS pijnschaal (0–10) werden afgedrukt op A4-papier en binnen het vrije zicht van de deelnemer geplaatst om directe toegankelijkheid tijdens het testen te garanderen.
Apparaat aantrekken en passen (Ongeblindeerde fase)
Een geschikte apparaatgrootte werd gekozen op basis van de lengte van de deelnemer (maat L voor lengte >165 cm; Maat M voor lengte ≤165 cm). Proefpersonen kregen hulp bij het aantrekken van de schouderbanden, en de hoogte van de rugmodule werd aangepast om de laterale heupmotor-eenheden coaxiaal uit te lijnen met de grote trochanter. De magnetische taillegesp werd vastgemaakt en de zijdelingse verstelbanden werden boven de iliacale kam strak aangedraaid om het apparaat stevig aan het bekken te verankeren en slip tijdens de bediening te voorkomen. De beenverbindingen werden vastgezet. De dijstruts waren ongeveer 5–10 cm boven de knieschijf uitgelijnd. Haken werden vastgemaakt en de Boa-draaischijf werd met de klok mee gedraaid om de dijbanden strakker te maken. De spanning van de band werd gecontroleerd door ongeveer 1,0–1,5 cm ruimte tussen de band en de huid te houden wanneer deze loodrecht op de huid werd getrokken. Proefpersonen voerden squats en hoge beenoefeningen uit om te controleren of er geen mechanische storing of overmatige kabelspanning was (Figuur 1). Er werd een 15-minuten durende aanpassingssessie16 gehouden. De deelnemers liepen zonder het apparaat op de loopband met 3,5 km/u en een helling van 15% gedurende 5 minuten. De proefpersonen liepen 5 minuten met het niet-bewerkte exoskelet (EXO_OFF). Proefpersonen liepen 5 minuten met het aangedreven exoskelet (EXO_ON), terwijl de intensiteit van de ondersteuning geleidelijk werd verhoogd van niveau 1 naar het comfortniveau van de proefpersoon (niveau 3 of 4). Vervolgens rustten de proefpersonen 20 minuten zittend voordat de formele proeven plaatsvonden. De 20 minuten durende rustperiode zorgde ervoor dat hartslag en waargenomen inspanning terugkeerden naar het basisniveauvan 17.
Interventie en blindering
De volgorde van de drie experimentele condities werd gerandomiseerd met behulp van een computergegenereerde sequentie om de effecten van leren en vermoeidheid te minimaliseren. In de NO_EXO toestand liepen de deelnemers in standaard sportkleding zonder exoskelet. In de EXO_ON toestand werd het apparaat geactiveerd in Klimmodus met de assistintensiteit ingesteld op niveau 3 of 4. Het exacte ondersteuningsniveau werd bepaald door een stabiel gangritme te verifiëren zonder zichtbare houdingsinstabiliteit, compenserende bewegingen of gerapporteerde weerstand tegen het koppel van het apparaat. Alle LED-indicatoren (stroom- en modusverlichting) waren in zowel EXO_ON als EXO_OFF omstandigheden bedekt met zwarte isolatietape om visuele verblinding te behouden. Er werd tussen de proeven een zittende rustperiode van 40 minuten ingezet om de hartslag en vermoeidheid weer naar het uitgangsniveau te brengen.
Gesimuleerde opwaartse wandelopdracht (Blinde beoordeling)
De deelnemers liepen 15 minuten op de loopband en werden aangemoedigd om natuurlijk te lopen zonder de leuningen vast te houden, tenzij dat noodzakelijk was voor de veiligheid. De hartslag (hartslag) werd continu geregistreerd. De 180 hartslagdatapunten verzameld van minuut 12:00–15:00 bij een steekproeffrequentie van 1 Hz werden gemiddeld om de stationaire hartslag te berekenen. De absoluut hoogste hartslag die tijdens de taak werd geregistreerd, werd gedefinieerd als HR_Peak. Bij minimaal 14 gaven proefpersonen hun inspanningsniveau aan met behulp van de Borg RPE-schaal. Direct na het voltooien van de taak (binnen 1 minuut) werd de VAS-schaal gebruikt om de huidintegriteit en gewrichtspijn te beoordelen. Huidcontactgebieden werden visueel geïnspecteerd op erythema, blaren of drukmarkeringen. Gewrichtspijn werd geregistreerd met een VAS-schaal van 0–10 cm, waarbij 0 geen pijn aangaf en 10 de ergste denkbare pijn. Scores ≥4 werden als klinisch significant ongemak beschouwd en vereisten verdere evaluatie. De Physiological Cost Index (PCI) werd berekend met behulp van de formule die is aangepast van MacGregor18: PCI = (Walking Heart Rate − Resting Heart Rate) / Walking Speed, uitgedrukt in slagen per minuut per kilometer per uur (slagen/min/km/u).
Statistische analyse
Uitkomstvariabelen werden vergeleken over aandoeningen met ANOVA, waarbij effectgroottes werden gerapporteerd als gedeeltelijke eta-kwadraat (η2p). Post-hoc paargewijze vergelijkingen gebruikten Bonferroni-gecorrigeerde gekoppelde t-tests, en Cohen's dz met 95% BI werden berekend (Aanvullende Tabel 1). De conditievolgorde werd gecompenseerd, met rustperiodes tussen de proeven om de overdrachtseffecten te minimaliseren. Betekenis werd vastgesteld op p < 0,05.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Onderwerpkenmerken
In totaal voltooiden 20 gezonde oudere volwassenen (10 mannen, 10 vrouwen) de studie. De proefpersonen hadden een gemiddelde leeftijd van 63,45 ± 3,70 jaar, een lengte van 1,65 ± 0,07 m, een gewicht van 60,51 ± 6,59 kg en een Body Mass Index (BMI) van 22,13 ± 1,58 kg/m2 (Tabel 1). Alle proefpersonen voltooiden met succes de drie wandelcondities (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) zonder gerapporteerde bijwe...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze studie evalueerde de impact van een lichtgewicht, zacht heup-exoskelet op fysiologische en psychologische meetwaarden bij ouderen tijdens gesimuleerd klimmen bergopwaarts, met behulp van een gerandomiseerd, crossover-ontwerp. De resultaten tonen aan dat, vergeleken met de basisconditie (NO_EXO) en de passieve slijtageconditie (EXO_OFF), de actieve assistentiemodus (EXO_ON) PCI en subjectieve vermoeidheidsrating (RPE) significant verminderde. Deze bevinding ondersteunt onze hypothese...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs geven geen belangenconflicten aan.
Wij danken de vrijwilligers voor hun deelname.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Borg RPE Scale | N/A | 6-20 Scale | Gestandaardiseerd schaal voor het beoordelen van de beleving van inspanning. |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | Versie 9.0 | Gebruikt voor datavisualisatie en het genereren van boxplots. |
| Medical Weight/Height Scale | Meilen | M-C-MSG100 | Gebruikt voor baseline metingen van fysieke kenmerken (BMI). |
| Soft Hip Exoskeleton (GOGO-H) | Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd | 100189510835 | Lichtgewicht zachte robotpak (2,3 kg) dat ondersteuning biedt bij het buigen van de heup. |
| SPSS Statistics Software | IBM | Versie 26.0 | Gebruikt voor statistische analyse. |
| Standard Motorized Treadmill | YPOO | M5max | Gebruikt voor gesimuleerd bergop lopen met een helling van 15% en 3,5 km/u. |
| Visual Analog Scale (VAS) | N/A | 10 cm lijn | Gebruikt voor subjectieve beoordeling van pijn en ongemak in de onderste ledematen. |
| Wearable smart band | Xiaomi Communications Co., Ltd. | 6932554419790 | Draagbare slimme band gebruikt voor realtime hartslag en bloedzuurstofmonitoring. |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen