Exoesqueleto de quadril mole reduz o custo fisiológico e o esforço percebido em adultos mais velhos durante caminhadas em subida

Resumo

Esse protocolo avalia a eficácia de um exoesqueleto leve de quadril macio na redução do estresse fisiológico durante caminhadas em subidas em idosos. Utilizando um design crossover randomizado, o método demonstra que o dispositivo reduz significativamente o custo fisiológico e a fadiga subjetiva em idosos.

Resumo

Caminhadas em montanha e montanhismo são atividades comuns para idosos ativos que buscam manter a aptidão cardiovascular; No entanto, as altas demandas fisiológicas dessas atividades frequentemente aceleram o aparecimento da fadiga neuromuscular. Essa fadiga é um fator crítico de risco para lesões relacionadas ao esporte, como quedas e distensões musculoesqueléticas. Este estudo tem como objetivo investigar se um exoesqueleto leve de quadril macio pode mitigar esses riscos e apoiar a atividade física segura para idosos durante atividades simuladas de montanhismo. Vinte adultos idosos saudáveis (63,45 ± 3,70 anos) participaram de um ensaio crossover randomizado em esteira ajustada para uma inclinação de 15% a 3,5 km/h. Os participantes caminharam por 15 minutos sob três condições: Sem Exoesqueleto (NO_EXO), Exoesqueleto Ativo (EXO_ON) e Exoesqueleto Passivo (EXO_OFF). Os desfechos incluíram Índice de Custo Fisiológico (PCI), Frequência Cardíaca Máxima (HR_Peak) e Avaliação do Esforço Percebido (Borg RPE). A assistência ativa (EXO_ON) reduziu significativamente o Índice de Custo Fisiológico para 13,80 ± 1,51, comparado a NO_EXO (14,68 ± 2,11) e EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). Da mesma forma, a EPR foi significativamente menor com assistência ativa (12,95 ± 1,15) do que com condições não assistidas (13,50 ± 1,19) ou passivas (14,00 ± 1,17) (p = 0,023). Embora a frequência cardíaca de pico tenha sido mais baixa em EXO_ON (133,65 ± 7,74 bpm), as diferenças entre condições não foram estatisticamente significativas (p = 0,267). O dispositivo compensa efetivamente a carga fisiológica de sua própria massa, resultando em uma redução líquida do esforço cardiovascular, como evidenciado pela menor PCI e RPE. Esses achados sugerem que exoesqueletos de quadril mole podem melhorar a eficiência da caminhada e reduzir o esforço percebido durante a subida em adultos idosos.

Introdução

À medida que a população global envelhece, manter a mobilidade funcional em adultos mais velhos tornou-se um desafio significativo de saúde^{pública 1}. O exercício aeróbico regular desempenha um papel protetor claro na prevenção de doenças cardiovasculares, degenerescência musculoesquelética e declínio^{cognitivo 2}. Entre as diversas atividades físicas, caminhadas ao ar livre e montanhismo são atividades de lazer amplamente adotadas por idosos devido à combinação de benefícios de engajamento social e condicionamento^{aeróbico 2}. No entanto, comparado à caminhada nivelada, a subida impõe uma carga biomecânica substancial, exigindo que as articulações dos membros inferiores gerem um trabalho líquido positivo maior para elevar o centro de massa^{do corpo 3}.

Para indivíduos mais velhos, essa demanda biomecânica aumentada geralmente é acompanhada por estratégias compensatórias específicas. Pesquisas de Franz e Kram indicam que, com o avanço da idade, a produção de potência durante a subida apresenta uma significativa "mudança distal para proximal^"4. Especificamente, a capacidade propulsora dos flexores plantares do tornozelo diminui em adultos mais velhos, que consequentemente dependem mais dos extensores do quadril (glúteo máximo e isquiotibiais) para produzir trabalho; A proporção de trabalho realizado pelo quadril é significativamente maior do que em controles^{mais jovens 4,5}. Esse mecanismo compensatório, sobreposto à sarcopenia relacionada à idade e à redução da reserva cardiopulmonar, resulta em um custo fisiológico maior durante a locomoção em subida em adultos idosos, tornando-os altamente suscetíveis à fadiga^{neuromuscular 6}.

O acúmulo de fadiga não só limita a tolerância ao exercício, mas também está intimamente ligado ao aumento do risco de queda⁷. Estudos anteriores mostraram que a fadiga muscular dos membros inferiores prejudica a estabilidade da marcha e reduz a folga mínima dos dedos, aumentando significativamente a probabilidade de tropeçar e cair^{em 7,8}. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias assistivas capazes de retardar o início da fadiga é de grande importância para garantir a segurança dos idosos durante atividades ao ar livre.

Robótica de exoesqueletos vestíveis oferece um caminho potencial para resolver essa^{questão 9}. Embora exoesqueletos rígidos se destaquem em fornecer alta saída de torque, sua massa substancial frequentemente restringe os graus cinemáticos naturais do corpo. Isso pode resultar em uma "penalidade fisiológica", onde o custo fisiológico adicionado ao usar o dispositivo compensa ou até supera os benefícios derivados da^{assistência 10,11}. Pesquisas de Browning et al. confirmaram que adicionar 1 kg às extremidades inferiores distais aumenta significativamente o custo fisiológico, um fardo não negligenciável para idosos com capacidade física^{limitada 10}. Para superar essa limitação, surgiram "exotrajes suaves" baseados em têxteis flexíveis e transmissão por cabo Bowden, projetados para minimizar a interferência com a marcha natural ao melhorar a conformidade^{homem-máquina 12}.

Embora estudos envolvendo coortes jovens e saudáveis tenham confirmado que a assistência do quadril pode reduzir o custo fisiológico da caminhada^{nível 13}, pesquisas voltadas para adultos mais velhos no cenário de alta demanda fisiológica da caminhada inclinada continuam relativamente escassas. Dada a maior dependência do trabalho do quadril durante a subida em adultos mais velhos ^4,14, este estudo levanta a hipótese de que um exoesqueleto leve e macio do quadril, ao fornecer torque assistido preciso à flexão do quadril, pode superar efetivamente a penalidade fisiológica de sua própria massa, reduzindo significativamente o Índice de Custo Fisiológico (PCI) e a fadiga subjetiva (EPR) de idosos durante uma tarefa de caminhada com inclinação de 15%. Para testar essa hipótese, este estudo segue um desenho crossover randomizado dentro do sujeito. A preparação inicial do sujeito e o ajuste do dispositivo são realizados por funcionários não cegos, enquanto a avaliação formal de caminhada é supervisionada por um avaliador cego.

Protocolo

O protocolo do estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa Clínica do Primeiro Hospital Afiliado, Faculdade de Medicina da Universidade de Zhejiang (Aprovação nº 2024-Research-022). Todos os procedimentos experimentais foram realizados de acordo com os princípios da Declaração de Helsinque.

Recrutamento e triagem de sujeitos
Para este estudo, 20 idosos saudáveis (entre 60 e 75 anos) foram recrutados do The First Affiliated Hospital, Faculdade de Medicina da Universidade^{de Zhejiang 15}. Os participantes foram avaliados segundo os seguintes critérios de inclusão: idade de 60 a 75 anos; capacidade de caminhada independente sem dispositivos assistivos; capacidade de andar continuamente na esteira por ≥15 minutos; e a pontuação MMSE ≥24. Sujeitos com hipertensão não controlada (pressão arterial em repouso ≥160/100 mmHg); angina instável, arritmia grave ou infarto do miocárdio em até 6 meses; AVC, doença de Parkinson, vertigem severa ou neuropatia periférica; fratura do membro inferior ou cirurgia ortopédica em até 12 meses; osteoartrite grave ou artrite reumatoide; feridas abertas, úlceras, dermatite, varizes severas ou alergias a cintas nas áreas de contato do exoesqueleto; IMC >30 kg/^{m 2}; ou dimensões do corpo fora da faixa de dispositivos foram excluídas. Foi obtido consentimento informado por escrito, e métricas antropométricas de base, incluindo altura, peso e frequência cardíaca em repouso, foram registradas.

Configuração experimental
A esteira estava ajustada para 3,5 km/h e 15% de inclinação. Um cordão magnético de segurança era preso do cinto do participante ao interruptor de parada automática da esteira, e um pesquisador supervisor mantinha acesso contínuo ao parada manual de emergência. O dispositivo exoesqueleto foi preparado antes dos testes. O nível de carga da bateria foi verificado em >90%. As unidades de acionamento eram inspecionadas manualmente para confirmar a ausência de emaranhamento de cabos, bloqueio mecânico ou atrito excessivo nos mecanismos de transmissão. O exoesqueleto oferecia modos de assistência adaptados ao terreno (Subida, Descida, Plano) com 5 níveis de intensidade (até 18 Nm). O Modo Escalada incorporava um algoritmo de aprendizado de marcha e um mecanismo acionado em ângulo (faixa de 0–90°) para sincronizar o torque de flexão do quadril com a fase de marcha do usuário. A magnitude da assistência, predominantemente nos níveis 3 ou 4, foi personalizada com base na tolerância subjetiva durante a adaptação. Os participantes foram equipados com um monitor de frequência cardíaca para registro contínuo de dados. A escala RPE de Borg (6–20) e a escala de dor VAS (0–10) foram impressas em papel A4 e posicionadas dentro da linha de visão clara do participante para garantir acessibilidade imediata durante o teste.

Colocação e ajuste do dispositivo (fase não cegada)
Um tamanho apropriado do dispositivo foi selecionado com base na altura do participante (Tamanho L para altura >165 cm; Tamanho M para altura ≤165 cm). Os participantes foram auxiliados a colocar as alças dos ombros, e a altura do módulo traseiro foi ajustada para alinhar coaxialmente as unidades motoras laterais do quadril com o trocánter maior. A fivela magnética da cintura foi presa e as tiras laterais de ajuste foram apertadas acima da crista ilíaca para ancorar o dispositivo firmemente à pelve e evitar deslizamento durante a atuação. As conexões das pernas foram seguras. Os suportes das coxas eram alinhados aproximadamente 5–10 cm acima da patela. Os ganchos eram presos, e o mostrador Boa girava no sentido horário para apertar as alças das coxas. A tensão da cinta foi verificada mantendo aproximadamente 1,0–1,5 cm de folga entre a tira e a pele quando puxada perpendicularmente à pele. Os participantes realizaram agachamentos e elevações altas de pernas para verificar a ausência de interferência mecânica ou tensão excessiva dos cabos (Figura 1). Foi realizada uma sessão de adaptação^{de 15 minutos, a 16ª} Os participantes caminharam sem o dispositivo na esteira a 3,5 km/h e com 15% de inclinação por 5 minutos. Os sujeitos caminharam com o exoesqueleto (EXO_OFF) desligado por 5 minutos. Os participantes caminharam com o exoesqueleto motorizado (EXO_ON) por 5 minutos enquanto a intensidade da assistência foi gradualmente aumentada do nível 1 para o nível de conforto do sujeito (níveis 3 ou 4). Os participantes então descansavam sentados por 20 minutos antes dos testes formais. O período de descanso de 20 minutos garantiu que a frequência cardíaca e o esforço percebido retornassem aos níveis^{iniciais 17}.

Intervenção e cegueira
A ordem das três condições experimentais foi randomizada usando uma sequência gerada por computador para minimizar os efeitos de aprendizagem e fadiga. Na condição NO_EXO, os participantes caminhavam com roupas esportivas padrão, sem o exoesqueleto. Na condição EXO_ON, o dispositivo foi ativado no Modo Escalada com a intensidade de assistência definida para o nível 3 ou 4. O nível exato de assistência foi determinado verificando um ritmo de marcha estável sem instabilidade postural visível, movimentos compensatórios ou resistência relatada ao torque do dispositivo. Todos os indicadores LED (luzes de energia e modo) eram cobertos com fita isolante preta tanto em EXO_ON quanto em EXO_OFF condições para manter o ofuscamento visual. Foi previsto um período de 40 minutos de descanso sentado entre os testes para permitir que a frequência cardíaca e os níveis de fadiga retornassem ao nível de base.

Tarefa simulada de caminhada em subida (avaliação cega)
Os participantes caminharam na esteira por 15 minutos e foram incentivados a manter a caminhada natural sem segurar os corrimãos, a menos que fosse necessário por segurança. A frequência cardíaca (FC) era registrada continuamente. Os 180 pontos de dados de frequência cardíaca coletados do mínimo 12:00 às 15:00 com uma taxa de amostragem de 1 Hz foram calculados em média para calcular a frequência cardíaca em estado estacionário. A frequência cardíaca absoluta mais alta registrada durante a tarefa foi definida como HR_Peak. No mínimo 14, os participantes relataram seu nível de esforço usando a escala RPE de Borg. Imediatamente após a conclusão da tarefa (em até 1 minuto), a escala VAS foi usada para avaliar a integridade da pele e a dor nas articulações. As áreas de contato com a pele foram inspecionadas visualmente em busca de eritema, bolhas ou marcas de pressão. A dor nas articulações foi registrada usando uma escala de VA, de 0 a 10 cm, onde 0 indicou ausência de dor e 10 indicou a pior dor imaginável. Escores ≥4 foram considerados desconforto clinicamente significativo, exigindo avaliação adicional. O Índice de Custo Fisiológico (PCI) foi calculado usando a fórmula adaptada do MacGregor¹⁸: PCI = (Frequência Cardíaca de Caminhada − Frequência Cardíaca em Repouso) / Velocidade de Caminhada, expressa em batimentos por minuto por quilômetro por hora (batidas/min/km/h).

Análise estatística

As variáveis de desfecho foram comparadas entre condições usando ANOVA, com tamanhos de efeito relatados como metais do eta-quadrado (η²p). Comparações post hoc por pares utilizaram testes t pareados corrigidos por Bonferroni, e foram calculados testes dz de Cohen com IC 95% (Tabela Suplementar 1). A ordem das condições foi contrabalançada, com períodos de descanso entre os testes para minimizar os efeitos de transferência. A importância foi definida em p < 0,05.

Resultados

Características do sujeito

Um total de 20 idosos saudáveis (10 homens, 10 mulheres) completaram o estudo. Os participantes tinham idade média de 63,45 ± 3,70 anos, altura de 1,65 ± 0,07 m, peso de 60,51 ± 6,59 kg e Índice de Massa Corporal (IMC) de 22,13 ± 1,58 kg^/m2 (Tabela 1). Todos os participantes completaram com sucesso as três condições de caminhada (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) sem eventos adversos relatados.

...

Discussão

Este estudo avaliou o impacto de um exoesqueleto leve e macio de quadril em métricas fisiológicas e psicológicas em idosos durante caminhadas simuladas em subida, utilizando um desenho randomizado e crossover. Os resultados mostram que, em comparação com a condição de base (NO_EXO) e a condição de desgaste passivo (EXO_OFF), o modo de assistência ativa (EXO_ON) reduziu significativamente a PCI e a classificação de fadiga subjetiva (EPR). Essa descoberta reforça nossa hipótese de que a as...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Borg RPE Scale	N/A	Escala de 6-20	Escala padronizada para avaliar a Classificação da Percepção de Esforço.
GraphPad Prism	GraphPad Software	Versão 9.0	Usado para visualização de dados e geração de boxplots.
Balança Médica de Peso/Altura	Meilen	M-C-MSG100	Usado para medições de características físicas de linha de base (IMC).
Exoesqueleto Suave do Quadril (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	Conjunto robótico suave e leve (2,3 kg) que fornece assistência à flexão do quadril.
Software de Estatística SPSS	IBM	Versão 26.0	Usado para análise estatística.
Esteira Motorizada Padrão	YPOO	M5max	Usado para caminhada simulada em subida com uma inclinação de 15% e 3,5 km/h.
Escala Analógica Visual (EAV)	N/A	Linha de 10 cm	Usado para avaliação subjetiva da dor e desconforto nos membros inferiores.
Banda inteligente vestível	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	Banda inteligente vestível usada para monitoramento em tempo real da frequência cardíaca e da oxigenação sanguínea.