Мягкий тазобедренный экзоскелет снижает физиологические затраты и воспринимаемую нагрузку у пожилых людей при ходьбе в гору

Краткое содержание

Этот протокол оценивает эффективность лёгкого мягкого тазобедренного экзоскелета в снижении физиологического стресса во время ходьбы в гору у пожилых людей. Используя рандомизированный кроссовер, метод демонстрирует, что устройство значительно снижает физиологические затраты и субъективную усталость у пожилых людей.

Аннотация

Горные походы и альпинизм — распространённые занятия для активных пожилых людей для поддержания сердечно-сосудистой формы; однако высокие физиологические нагрузки на эти занятия часто ускоряют наступление нервно-мышечной усталости. Эта усталость является критическим фактором риска для травм, связанных со спортом, таких как падения и растяжения опорно-двигательного аппарата. Цель данного исследования — выяснить, может ли лёгкий мягкий тазобедренный экзоскелет снизить эти риски и поддерживать безопасную физическую активность пожилых людей во время имитации альпинистских задач. Двадцать здоровых пожилых людей (63,45 ± 3,70 года) приняли участие в рандомизированном кроссоверном исследовании на беговой дорожке с наклоном 15% при 3,5 км/ч. Участники шли 15 минут при трех условиях: без экзоскелета (NO_EXO), активный экзоскелет (EXO_ON) и пассивный экзоскелет (EXO_OFF). Результаты включали Физиологический индекс затрат (PCI), Пиковую частоту сердечных сокращений (HR_Peak) и Оценку воспринимаемой нагрузки (Borg RPE). Активная помощь (EXO_ON) значительно снизила Индекс физиологических затрат до 13,80 ± 1,51 по сравнению с NO_EXO (14,68 ± 2,11) и EXO_OFF (15,35 ± 1,83; p = 0,033). Аналогично, RPE был значительно ниже при активной помощи (12,95 ± 1,15), чем при условиях без помощи (13,50 ± 1,19) или пассивных (14,00 ± 1,17) (p = 0,023). Хотя пиковая частота сердечных сокращений была минимальной в EXO_ON году (133,65 ± 7,74 уд/мин), различия между состояниями статистически не значимы (p = 0,267). Устройство эффективно компенсирует физиологическую нагрузку собственной массы, что приводит к снижению сердечно-сосудистых усилий, что подтверждается снижением PCI и RPE. Эти данные свидетельствуют о том, что экзоскелеты с мягкими бедрами могут повысить эффективность ходьбы и уменьшить воспринимаемую нагрузку при ходьбе в гору у пожилых людей.

Введение

По мере старения глобального населения поддержание функциональной мобильности пожилых людей стало серьёзной проблемой общественного^{здравоохранения 1}. Регулярные аэробные упражнения играют явную защитную роль в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний, дегенерации опорно-двигательного аппарата и когнитивного^{снижения 2}. Среди различных физических активностей пешие прогулки на природе и альпинизм широко распространены для пожилых людей благодаря сочетанию социальной активности и аэробных преимуществ². Однако по сравнению с ровной ходьбой, ходьба в гору создаёт значительную биомеханическую нагрузку, требующую нижних суставов конечностей для создания большей положительной работы для поднятия центра массы^{тела 3}.

Для пожилых людей этот повышенный биомеханический спрос часто сопровождается специфическими компенсаторными стратегиями. Исследования Франца и Крама показывают, что с возрастом мощность при подъёме демонстрирует значительный «сдвиг от дистального к проксимальному»^4. В частности, у пожилых людей уменьшается тяговая способность подошвенных сгибателей голеностопа, которые, следовательно, больше полагаются на разгибатели бедра (большая ягодичная мышца и подколенные мышцы) для выполнения работы; Доля работы, выполняемой бедром, значительно выше, чем у более молодых контрольных^{групп 4,5}. Этот компенсаторный механизм, наложенный на возрастную саркопению и снижение сердечно-лёгочного резерва, приводит к более высокой физиологической нагрузке при подъёме в полосе у пожилых людей, делая их очень восприимчивыми к нервно-мышечной^{усталости 6}.

Накопление усталости не только ограничивает толерантность к нагрузкам, но и тесно связано с повышенным риском падения⁷. Предыдущие исследования показали, что усталость мышц нижней части конечностей нарушает стабильность походки и снижает минимальный просвет пальцев, что значительно увеличивает вероятность споткнуться и^{падения 7,8}. Поэтому разработка вспомогательных технологий, способных отсрочить появление усталости, имеет большое значение для обеспечения безопасности пожилых людей во время активного отдыха.

Носимая робототехника с экзоскелетом предлагает потенциальный путь для решения этой^{проблемы 9}. Хотя жёсткие экзоскелеты отлично обеспечивают высокий крутящий момент, их значительная масса часто ограничивает естественные кинематические степени свободы корпуса. Это может привести к «физиологическому штрафу», когда физиологическая стоимость, добавляемая при ношении устройства, компенсирует или даже превышает выгоды, полученные от помощи^10,11. Исследования Браунинга и соавторов подтвердили, что добавление 1 кг в дистальные нижние конечности значительно увеличивает физиологические затраты, что является незначительным бременем для пожилых людей с ограниченной физической^{возможностью 10}. Для преодоления этого ограничения появились «мягкие экзокостюмы» на основе гибких текстилей и кабелей Bowden, предназначенные минимизировать помехи естественной походке за счёт повышения соответствия человеку и^{машине 12}.

Хотя исследования с участием молодых здоровых когорт подтвердили, что помощь бедра может снизить физиологическую стоимость горизонтальной^{ходьбы 13}, исследования, направленные на пожилых людей в условиях высокой физиологической нагрузки на наклонную ходьбу, остаются относительно редкими. Учитывая повышенную зависимость от работы с бедрами при ходьбе в гору у пожилых^{людей 4,14}, это исследование предполагает, что лёгкий мягкий экзоскелет бедра, обеспечивая точный ассистентный момент сгибания бедра, может эффективно компенсировать физиологический ущерб собственной массы, тем самым значительно снижая Физиологический индекс затрат (PCI) и субъективную усталость (RPE) пожилых людей во время 15% наклонной ходьбы. Для проверки этой гипотезы исследование использует внутрисубъектную рандомизированную схему кроссовера. Начальная подготовка субъекта и подбор приборов выполняются неослеплёмым персоналом, а формальная оценка ходьбы — под контролем ослеплётого оценщика.

Протокол

Протокол исследования был утверждён Комитетом по этике клинических исследований Первой аффилированной больницы Медицинской школы Чжэцзянского университета (Одобрение No 2024-Research-022). Все экспериментальные процедуры проводились в соответствии с принципами Хельсинкской декларации.

Набор и отбор участников
Для этого исследования было привлечено 20 здоровых пожилых людей (в возрасте 60–75 лет) из Первой аффилированной больницы Медицинской школы^{Университета Чжэцзяна 15}. Испытуемые проходили скрининг по следующим критериям включения: возраст 60–75 лет; возможность самостоятельной ходьбы без вспомогательных устройств; способность непрерывно ходить на беговой дорожке в течение ≥15 минут; и балл MMSE ≥24. У пациентов с неконтролируемой гипертензией (давление в покое ≥160/100 мм рт.ст.); нестабильная стенокардия, тяжёлая аритмия или инфаркт миокарда в течение 6 месяцев; инсульт, болезнь Паркинсона, тяжёлое головокружение или периферическая невропатия; перелом нижней конечности или ортопедическая хирургия в течение 12 месяцев; тяжёлый остеоартрит или ревматоидный артрит; открытые раны, язвы, дерматит, тяжёлое варикозное расширение вен или аллергия на ремни в местах контакта с экзоскелетами; ИМТ >30 кг/^м²; или размеры корпуса за пределами диапазона устройств исключались. Было получено письменное информированное согласие, а также зафиксированы базовые антропометрические показатели, включая рост, вес и частоту сердечных сокращений в покое.

Экспериментальная установка
Беговая дорожка была настроена на 3,5 км/ч с уклоном 15%. Магнитный защитный шнурок был прикреплён от ремня участника к выключателю автостопа на беговой дорожке, а наблюдающий исследователь обеспечивал непрерывный доступ к ручной аварийной остановке. Экзоскелетное устройство было подготовлено перед испытаниями. Уровень заряда батареи был подтверждён как >90%. Приводные блоки были осмотрены вручную для подтверждения отсутствия запутанности тросов, механических соединений или чрезмерного трения в механизмах передачи. Экзоскелет обеспечивал режимы адаптации к рельефу (Climb, Downhill, Flat) с 5 уровнями интенсивности (до 18 Nm). Режим лазания включал алгоритм обучения походке и механизм с угловым триггером (диапазон 0–90°) для синхронизации крутящего момента сгибания бедра с фазой походки носителя. Величина помощи, преимущественно на уровнях 3 или 4, была персонализирована на основе субъективной толерантности во время адаптации. Испытуемым был установлен монитор сердечного ритма для непрерывного записи данных. Шкала RPE Борга (6–20) и шкала боли VAS (0–10) были напечатаны на бумаге формата A4 и размещены в пределах прямой видимости участника для обеспечения немедленного доступа во время тестирования.

Надевание и подгонка устройства (неслепоя фаза)
Соответствующий размер устройства был выбран на основе роста участника (размер L — высота >165 см; Размер M для роста ≤165 см). Испытуемым помогали надевать плечевые ремни, а высота заднего модуля была корректирована для совместного выравнивания боковых тазобедренных моторных блоков с большим трохантером. Магнитная пряжка на талии была застёгнута, а боковые ремни затянуты над подвздошным гребнем, чтобы надёжно закрепить устройство на тазе и предотвратить скольжение во время срабатывания. Соединения ног были надёжно закреплены. Стойки бедра были выровнены примерно на 5–10 см выше надколенника. Крючки были закреплены, а циферблат Боа поворачивался по часовой стрелке, чтобы затянуть ремни на бедрах. Натяжение ремня проверялось путём поддержания расстояния примерно 1,0–1,5 см между ремнем и кожей при натянутии перпендикулярно коже. Испытуемые выполняли приседания и высокие подъёмы ног, чтобы проверить отсутствие механических помех или чрезмерного натяжения троса (рисунок 1). Была проведена 15-минутная адаптационная сессия¹⁶ . Испытуемые шли без устройства на беговой дорожке со скоростью 3,5 км/ч и с уклоном 15% в течение 5 минут. Субъекты шли с неуправляемым экзоскелетом (EXO_OFF) в течение 5 минут. Испытуемые ходили с приводящим экзоскелетом (EXO_ON) в течение 5 минут, при этом интенсивность помощи постепенно увеличивалась с 1 уровня до уровня комфорта испытуемого (3 или 4). Затем испытуемые отдыхали в сидячем положении в течение 20 минут перед официальными испытаниями. 20-минутный период отдыха позволил вернуть частоту сердечных сокращений и воспринимаемую нагрузку к исходному^{уровню 17}.

Вмешательство и ослепление
Порядок трёх экспериментальных условий был рандомизирован с помощью компьютерной последовательности для минимизации эффектов обучения и усталости. В NO_EXO состоянии участники ходили в стандартной спортивной одежде без экзоскелета. В состоянии EXO_ON устройство активировалось в режиме лазания с интенсивностью помощи, установленной на 3 или 4 уровне. Точный уровень помощи определялся путем проверки стабильного ритма походки без видимой нестабильности осанки, компенсаторных движений или сопротивления крутящему моменту устройства. Все светодиодные индикаторы (индикаторы питания и режимов) были покрыты чёрной изолентой как в EXO_ON, так и в EXO_OFF условиях для поддержания визуальной слепоты. Между испытаниями был предусмотрен 40-минутный сидячий отдых, чтобы вернуть частоту сердечных сокращений и усталость к исходному уровню.

Имитированная задача на подъём по склону (слепая оценка)
Испытуемые ходили на беговой дорожке 15 минут и их поощряли поддерживать естественную ходьбу, не держась за поручнича, если это не было необходимо для безопасности. Частота сердечных сокращений (ЧСС) фиксировалась непрерывно. 180 точек данных сердечных сокращений, собранных в период с 12:00 до 15:00 с частотой дискретизации 1 Гц, были усреднены для расчёта стационарного сердечного ритма. Абсолютная максимальная частота сердечных сокращений, зафиксированная во время задания, была определена как HR_Peak. На 14-й минуте испытуемые сообщили о своем уровне нагрузки с помощью шкалы RPE Борга. Сразу после завершения задачи (в течение 1 минуты) шкала VAS использовалась для оценки целостности кожи и боли в суставах. Области контакта с кожей были визуально осмотрены на наличие эритемы, мозолей или следов давления. Боль в суставах регистрировалась по шкале VAS 0–10 см, где 0 указывал на отсутствие боли, а 10 — на самую сильную возможную боль. Оценки ≥4 считались клинически значимым дискомфортом, требующим дополнительной оценки. Физиологический индекс затрат (PCI) был рассчитан по формуле, адаптированной из^{МакГрегора 18}: PCI = (Частота сердечных сокращений при ходьбе − в покое) / Скорость ходьбы, выраженная в ударах в минуту на километр в час (удары/мин/км/ч).

Статистический анализ

Переменные исхода сравнивались между условиями с помощью ANOVA, при этом размеры эффектов были представлены как частичные экта-квадрат (η²p). Пост-хок парные сравнения использовали парные t-тесты с корректировкой Бонферрони, а dz Коэна с 95% ДИ рассчитывались (Дополнительная таблица 1). Порядок состояния был сбалансирован, с периодами отдыха между испытаниями для минимизации эффекта переноса. Значимость была установлена на p < 0,05.

Результаты

Характеристики предмета

Всего 20 здоровых пожилых людей (10 мужчин, 10 женщин) завершили исследование. Средний возраст участников составлял 63,45 ± 3,70 года, рост 1,65 ± 0,07 м, вес 60,51 ± 6,59 кг, индекс массы тела (ИМТ) 22,13 ± 1,58 кг/^м² (Таблица 1). Все участники успешно выполнили три условия ходьбы (NO_EXO, EXO_ON, EXO_OFF) без зарегистрированных нежелательных эффектов.

Физ...

Обсуждение

В этом исследовании оценивалось влияние лёгкого мягкого тазобедренного экзоскелета на физиологические и психологические показатели у пожилых людей при имитации подъёма по склону, используя рандомизированный кроссоверный дизайн. Результаты показывают, что по сравнению с базовым состоянием (NO_EXO) и пассивным состоянием износа (EXO_OFF), режим активной помощи (EXO_ON) значительно снижал показатели PCI и субъективной усталости (RPE). Это открытие подтверждает нашу гипотезу о том, что целев...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Шкала RPE Borg	N/A	Шкала 6-20	Стандартизированная шкала для оценки воспринимаемой интенсивности усилий.
GraphPad Prism	GraphPad Software	Версия 9.0	Используется для визуализации данных и создания бокс-плотов.
Медицинская шкала веса/роста	Meilen	M-C-MSG100	Используется для измерения исходных физических характеристик (ИМТ).
Мягкий тазобедренный экзоскелет (GOGO-H)	Hangzhou RoboCT Technology Development Co., Ltd	100189510835	Лёгкий мягкий роботический костюм (2,3 кг), обеспечивающий поддержку при сгибании бедер.
Статистическое ПО SPSS	IBM	Версия 26.0	Используется для статистического анализа.
Стандартный моторизованный тренажёр	YPOO	M5max	Используется для моделирования ходьбы по подъёму с наклоном 15% и скоростью 3,5 км/ч.
Визуальная аналоговая шкала (VAS)	N/A	10 см линия	Используется для субъективной оценки боли и дискомфорта в нижних конечностях.
Носимыый умный браслет	Xiaomi Communications Co., Ltd.	6932554419790	Носимыый умный браслет, используемый для мониторинга частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови в реальном времени.