Artykuł badawczy
Ten protokół ocenia skuteczność lekkiego, miękkiego egzoszkieletu bioder w zmniejszaniu stresu fizjologicznego podczas wchodzenia na wzniesienie u osób starszych. Za pomocą zrandomyzowanego projektu crossover, metoda pokazuje, że urządzenie znacząco zmniejsza koszt fizjologiczny i subiektywne zmęczenie u osób starszych.
Wędrówki górskie i wspinaczka są popularnymi zajęciami dla aktywnych starszych dorosłych, które pozwalają utrzymać kondycję układu krążenia; jednak wysokie wymagania fizjologiczne tych działań często przyspieszają początek zmęczenia nerwowo-mięśniowego. To zmęczenie jest krytycznym czynnikiem ryzyka urazów związanych ze sportem, takich jak upadki i naprężenia układu mięśniowo-szkieletowego. Niniejsze badanie ma na celu zbadanie, czy lekki, miękki egzoszkielet biodrowy może zmniejszyć te ryzyko i wspierać bezpieczną aktywność fizyczną dla starszych dorosłych podczas symulowanych zadań wspinaczkowych. Dwadzieścia zdrowych starszych dorosłych (63,45 ± 3,70 lat) wzięło udział w zrandomyzowanym badaniu krzyżowym na bieżni ustawionej pod kątem 15% ze szybkością 3,5 km/h. Uczestnicy szli przez 15 minut w trzech warunkach: Bez egzoszkieletu (NO_EXO), Egzoszkielet Aktywny (EXO_ON) i Egzoszkielet Pasywny (EXO_OFF). Wyniki obejmowały Indeks Kosztów Fizjologicznych (PCI), Maksymalną Częstotliwość Akcji Serca (HR_Peak) oraz Ocenę Postrzeganego Wysiłku (Borg RPE). Aktywne wspomaganie (EXO_ON) znacząco zmniejszyło Indeks Kosztów Fizjologicznych do 13,80 ± 1,51, w porównaniu z NO_EXO (14,68 ± 2,11) i EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). Podobnie, RPE był znacząco niższy przy aktywnym wspomaganiu (12,95 ± 1,15) niż bez niego (13,50 ± 1,19) lub w warunkach pasywnych (14,00 ± 1,17; p = 0,023). Chociaż Maksymalna Częstotliwość Akcji Serca była najniższa w EXO_ON (133,65 ± 7,74 uderzeń na minutę), różnice między warunkami nie były istotne statystycznie (p = 0,267). Urządzenie skutecznie kompensuje obciążenie fizjologiczne własnej masy, co skutkuje czynną redukcją wysiłku układu krążenia, co potwierdzają niższe wartości PCI i RPE. Te wyniki sugerują, że miękkie egzoszkielety biodrowe mogą poprawić efektywność chodzenia i zmniejszyć postrzegany wysiłek podczas wspinaczki w górę wśród starszych dorosłych.
Wraz ze starzeniem się populacji światowej, utrzymanie funkcjonalnej mobilności u osób starszych stało się istotnym wyzwaniem zdrowia publicznego1. Regularne ćwiczenia aerobowe odgrywają wyraźną rolę ochronną w zapobieganiu chorobom układu krążenia, zwyrodnieniu układu mięśniowo-szkieletowego i pogorszeniu funkcji poznawczych2. Wśród różnych aktywności fizycznych, wędrówki na świeżym powietrzu i wspinaczka górskie są szeroko stosowane jako formy rekreacji przez osoby starsze ze względu na połączenie zaangażowania społecznego i korzyści kondycyjnych2. Jednak w porównaniu z chodzeniem na równym terenie, wchodzenie pod górę nakłada znaczne obciążenie biomechaniczne, wymagając od stawów kończyn dolnych wykonania większej netto pozytywnej pracy w celu uniesienia środka ciężkości ciała3.
Dla osób starszych ta zwiększona wymagającość biomechaniczna jest często towarzyszona specyficznymi strategiami kompensacyjnymi. Badania Franz i Kram wskazują, że wraz z wiekiem, moc wydzielana podczas wchodzenia pod górę wykazuje znaczącą "zmianę z dystalnej na proksymalną"4. Konkretnie, zdolność do wytwarzania siły przez mięśnie zginacze stóp ulega zmniejszeniu u osób starszych, które w związku z tym bardziej polegają na mięśniach rozciągających biodra (mięsień pośladkowy wielki i ścięgna) do produkcji siły; proporcja pracy wykonywanej przez biodra jest znacznie wyższa niż u młodych osób4,5. Ten mechanizm kompensacyjny, nałożony na związaną z wiekiem sarkopenie i zmniejszoną rezerwę układu krążenia i oddechowego, prowadzi do wyższego kosztu fizjologicznego podczas chodzenia pod górę u osób starszych, czyniąc je bardzo podatnymi na zmęczenie nerwowo-mięśniowe6.
Akumulację zmęczenia nie tylko ogranicza tolerancja na wysiłek, ale jest również ściśle związana ze zwiększonym ryzykiem upadku7. Poprzednie badania wykazały, że zmęczenie mięśni kończyn dolnych zakłóca stabilność chodu i zmniejsza minimalne wolne miejsce pod stopami, znacznie zwiększając w ten sposób prawdopodobieństwo potknięcia się i upadku7,8. Dlatego opracowanie technologii wspomagających zdolnych opóźnić początek zmęczenia ma ogromne znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa osób starszych podczas aktywności na świeżym powietrzu.
Nośne eksoszkielety robotyczne oferują potencjalną drogę rozwiązania tego problemu9. Podczas gdy sztywne eksoszkielety wyróżniają się dużą mocą wyjściową, ich znaczna masa często ogranicza naturalne stopnie wolności ruchowe ciała. Może to prowadzić do "kary fizjologicznej", gdzie koszt fizjologiczny związany z noszeniem urządzenia kompensuje lub nawet przekracza korzyści płynące z wsparcia10,11. Badania Browninga i wsp. potwierdziły, że dodanie 1 kg do dystalnych kończyn dolnych znacząco zwiększa koszt fizjologiczny, co jest nie do pominięcia dla osób starszych o ograniczonych możliwościach fizycznych10. Aby przeciwdziałać tej ograniczenia, "miękkie eksokostiumy" oparte na elastycznych tkaninach i transmisji kablowej Bowdena zostały opracowane, mające na celu minimalizowanie ingerencji w naturalny chodzenie poprzez poprawę kompatybilności człowiek-maszyna12.
Chociaż badania z udziałem młodych i zdrowych osób potwierdziły, że wsparcie bioder może zmniejszyć koszt fizjologiczny chodzenia na płasko13, badania dotyczące osób starszych w wymagającym fizjologicznie scenariuszu chodzenia pod górę pozostają stosunkowo rzadkie. Biorąc pod uwagę zwiększoną zależność od pracy bioder podczas chodzenia pod górę u osób starszych4,14, niniejsze badanie postuluje, że lekka miękka eksokostium bioder, zapewniając precyzyjny moment wspomagający zginania bioder, może efektywnie przeciwdziałać karze fizjologicznej związanej z jego masą, znacząco zmniejszając w ten sposób Indeks Kosztu Fizjologicznego (PCI) i subiektywne zmęczenie (RPE) osób starszych podczas chodzenia pod górę na nachyleniu 15%. Aby przetestować tę hipotezę, niniejsze badanie przeprowadza się według wzorowane-na-siebie wziętych prób krosowych projektu. Wstępna przygotowanie osób badanych i dopasowanie urządzenia jest wykonywane przez personel niebędący świadomym przydziału, podczas gdy formalna ocena chodu jest nadzorowana przez ocenianego, który nie wie o przydziałzie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół badania został zatwierdzony przez Komitet Etyki Badań Klinicznych Pierwszego Szpitala Afiliacyjnego, Zhejiang University School of Medicine (Numer zgody 2024-Research-022). Wszystkie procedury eksperymentalne przeprowadzono zgodnie z zasadami Deklaracji Helsińskiej.
Rekrutacja i przesiewowe badanie uczestników
Do tego badania rekrutowano 20 zdrowych osób starszych (w wieku 60–75 lat) z Pierwszego Szpitala Afiliacyjnego, Zhejiang University School of Medicine15. Osoby były przesiewowo badane zgodnie z następującymi kryteriami włączenia: wiek 60–75 lat; zdolność do samodzielnego chodzenia bez urządzeń wspomagających; umiejętność ciągłego chodzenia na bieżni przez co najmniej 15 min; i wynik MMSE ≥24. Osoby z niekontrolowaną nadciśnieniem (ciśnienie spoczynkowe ≥160/100 mmHg); niestabilną dławicą piersiową, ciężką arytmią lub zawałem mięśnia sercowego w ciągu 6 miesięcy; udarem, chorobą Parkinsona, ciężkim zawrotami głowy lub neuropatią obwodową; złamaniem kończyn dolnych lub operacją ortopedyczną w ciągu 12 miesięcy; ciężką artrozą stawów lub reumatoidalnym zapaleniem stawów; otwartymi ranami, owrzodzeniami, zapaleniem skóry, ciężkimi żylakami lub alergiami na paski w obszarach kontaktu z egzoszkieletem; BMI >30 kg/m2; lub wymiarami ciała poza zakresem urządzenia zostały wykluczone. Uzyskana została pisemna zgoda na udział, a zanotowano podstawowe wskaźniki antropometryczne, w tym wzrost, wagę i częstość akcji serca w spoczynku.
Konfiguracja eksperymentalna
Bieżnia została ustawiona na 3,5 km/h i 15% nachylenia. Z paska uczestnika do wyłącznika automatycznego bieżni przymocowany został magnetyczny łańcuszek bezpieczeństwa, a nadzorujący badacz miał ciągły dostęp do ręcznego przycisku awaryjnego. Urządzenie egzoszkieletowe zostało przygotowane przed testem. Poziom naładowania baterii został zweryfikowany, aby wynosił >90%. Jednostki napędowe zostały ręcznie sprawdzone, aby potwierdzić brak plątaniny kabli, wiązań mechanicznych lub nadmiernego tarcia w mechanizmach przekazywania mocy. Egzoszkielet zapewniał tryby adaptacji terenowej (Wspinanie się, Zejście, Płasko) z 5 poziomiami intensywności (do 18 Nm). Tryb Wspinania się zawierał algorytm nauki chodu i mechanizm wyzwalacza kątowego (zakres 0–90°) w celu synchronizacji momentu zginania bioder z fazą chodu użytkownika. Wielkość wsparcia, głównie na poziomach 3 lub 4, była spersonalizowana w oparciu o subiektywną tolerancję podczas adaptacji. Osoby były wyposażone w monitor tętna do ciągłego rejestrowania danych. Skala Borg RPE (6–20) i skala bólu VAS (0–10) zostały wydrukowane na papierze A4 i umieszczone w zasięgu wzroku uczestnika, aby zapewnić natychmiastową dostępność podczas testu.
Zakładanie i dopasowywanie urządzenia (Faza nieślepiona)
Odpowiedni rozmiar urządzenia został wybrany na podstawie wzrostu uczestnika (rozmiar L dla wzrostu >165 cm; rozmiar M dla wzrostu ≤165 cm). Osobom pomagano w zakładaniu pasków na ramiona, a wysokość modułu tylnego została dostosowana, aby osiowo wyrównać boczne jednostki napędowe bioder z większym guzem kulszowym. Magnesyczna klamra w pasie została zapinana, a boczne pasy regulacyjne zostały dociśnięte nad grzebieniem biodrowym, aby zabezpieczyć urządzenie do miednicy i zapobiec jego zsuwaniu się podczas aktywacji. Połączenia z nogami zostały zabezpieczone. Wsporniki ud zostały wyrównane około 5–10 cm powyżej rzepki. Haki zostały zabezpieczone, a tarcza Boa została obracana w kierunku wskazówek zegara, aby dokręcić pasy ud. Napięcie pasów zostało zweryfikowane, utrzymując około 1,0–1,5 cm luzu między pasem a skórą, gdy był on ciągnięty prostopadle do skóry. Osoby wykonywały przysiady i wysokie podnoszenie nóg, aby zweryfikować brak ingerencji mechanicznej lub nadmiernego napięcia kabli (Rysunek 1). Przeprowadzono 15-minutowe ćwiczenie adaptacyjne16. Osoby chodziły bez urządzenia na bieżni z prędkością 3,5 km/h i 15% nachylenia przez 5 min. Osoby chodziły bez zasilania egzoszkielet (EXO_OFF) przez 5 min. Osoby chodziły z zasilanymi egzoszkieletami (EXO_ON) przez 5 min, podczas gdy intensywność wsparcia była stopniowo zwiększana z poziomu 1 do poziomu komfortu uczestnika (poziomy 3 lub 4). Osoby następnie odpoczywały w pozycji siedzącej przez 20 min przed formalnymi testami. 20-minutowy okres odpoczynku zapewniał, że częstość akcji serca i postrzegana wysiłek powróciły do poziomów wyjściowych17.
Interwencja i zaślepienie
Kolejność trzech warunków eksperymentalnych została zrandomizowana za pomocą sekwencji wygenerowanej komputerowo, aby zminimalizować efekty uczenia się i zmęczenia. W warunku NO_EXO osoby chodziły w standardowych ubraniach sportowych bez egzoszkieletu. W warunku EXO_ON urządzenie było aktywowane w trybie Wspinania się z intensywnością wsparcia ustawioną na poziomie 3 lub 4. Dokładny poziom wsparcia został określony poprzez zweryfik
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Charakterystyka badanych
Badanie zakończyło łącznie 20 zdrowych osób starszych (10 mężczyzn, 10 kobiet). Osoby te miały średni wiek 63,45 ± 3,70 lat, wzrost 1,65 ± 0,07 m, wagę 60,51 ± 6,59 kg i wskaźnik masy ciała (BMI) 22,13 ± 1,58 kg/m2 (Tabela 1). Wszystkie osoby pomyślnie zakończyły trzy warunki chodu (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) bez zgłaszanych niepożądanych zdarzeń.
Indeks kosztów fizjologicznych
...Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejsze badanie oceniło wpływ lekkiego, miękkiego egzoszkieletu bioder na wskaźniki fizjologiczne i psychologiczne u osób starszych podczas symulowanego wchodzenia na wzniesienie, stosując losowy projekt krzyżowy. Wyniki pokazują, że w porównaniu z warunkiem początkowym (NO_EXO) i warunkiem pasywnego noszenia (EXO_OFF), aktywny tryb wsparcia (EXO_ON) znacząco zmniejszył PCI i subiektywną ocenę zmęczenia (RPE). To odkrycie potwierdza naszą hipotezę, że ukierunkowane wsparcie stawu biodrowego może skutecznie zmniejszać s...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktów interesów.
Dziękujemy wolontariuszom za udział.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Borg RPE Scale | N/A | 6-20 Scale | Standardizowana skala oceny postrzeganej wysiłku. |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | Wersja 9.0 | Używany do wizualizacji danych i generowania wykresów pudełkowych. |
| Medyczna waga/wzrost | Meilen | M-C-MSG100 | Używany do pomiarów podstawowych cech fizycznych (BMI). |
| Miękki egzosztalęcia biodrowa (GOGO-H) | Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd | 100189510835 | Lekka miękka robotyczna odzież (2,3 kg) zapewniająca wsparcie dla zginania bioder. |
| SPSS Statistics Software | IBM | Wersja 26.0 | Używany do analizy statystycznej. |
| Standardowy zmotoryzowany bieg | YPOO | M5max | Używany do symulowanego chodzenia pod górę pod kątem 15% i 3,5 km/h. |
| Wizualna analogowa skala (VAS) | N/A | 10 cm linia | Używany do subiektywnej oceny bólu i dyskomfortu kończyn dolnych. |
| Inteligentna opaskową | Xiaomi Communications Co., Ltd. | 6932554419790 | Inteligentna opaskową używaną do monitorowania tętna i poziomu tlenu w czasie rzeczywistym. |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie