Nøjagtig og standardiseret vurdering af ekstern effekt er afgørende for evalueringen af fysiologiske, biomekaniske og opfattede stress, belastning og kapacitet i manuel kørestolsfremdrift. Den nuværende artikel præsenterer forskellige metoder til at bestemme og kontrollere effekt under kørestolfremdrift undersøgelser i laboratoriet og videre.
Brugen af en manuel kørestol er afgørende for 1% af verdens befolkning. Forskning i bevægelse med hjul med hjul er blevet væsentligt modnet, hvilket har ført til, at forbedrede forskningsteknikker er blevet tilgængelige i løbet af de seneste årtier. For at øge forståelsen af køremobilitetydeevne, overvågning, uddannelse, erhvervelse af færdigheder og optimering af kørestolsbrugergrænsefladen i rehabilitering, dagligdag og sport, yderligere standardisering af måleopsætninger og analyser er påkrævet. Et afgørende springbræt er nøjagtig måling og standardisering af ekstern effekt (målt i Watt), som er afgørende for fortolkningen og sammenligningen af eksperimenter, der har til formål at forbedre rehabiliteringspraksis, dagligdags aktiviteter, og adaptive sportsgrene. De forskellige metoder og fordele ved nøjagtig bestemmelse af effekteffekt under overjord, løbebånd og ergometerbaseret test præsenteres og diskuteres i detaljer. Overground fremdrift giver den mest eksternt gyldige tilstand for test, men standardisering kan være generende. Løbebånd fremdrift er mekanisk ligner overground fremdrift, men drejning og accelererende er ikke muligt. Et ergometer er den mest begrænsede og standardisering er relativt let. Målet er at stimulere god praksis og standardisering for at lette den videre udvikling af teori og dens anvendelse blandt forskningsfaciliteter og anvendte kliniske og sportslige videnskaber rundt om i verden.
Med en anslået 1% af verdens befolkning er afhængig af hjul mobilitet i dag1,2, en konsekvent strøm af internationale forskningsarbejde i stigende grad dukker op i internationale peer-reviewed tidsskrifter på forskellige områder såsom rehabilitering1,3, engineering4, og sport videnskab5,6. Dette fører til en voksende videnbase og forståelse af kompleksiteten af denne fælles form for menneskelig ambulation. Men for løbende udvikling og implementering i rehabilitering og adaptive sportspraksis, er der behov for yderligere international udveksling og samarbejde inden for forskning. En integreret del af sådanne samarbejdsnetværk er forbedret standardisering af eksperimentelle og måleprocedurer og teknologi. Desuden er en konsekvent gennemførelse af nøjagtig overvågning af kørestolsbrugerkombinationens ydeevne i laboratoriet og/eller i marken vigtig for en optimal individuel funktion og deltagelse, mens en sund og aktiv livsstil opretholdes i løbet af den enkeltes levetid7,8,9.
Eksperimentelt, manuel kørestol fremdrift under steady-state eller peak træningsforhold10,11 er ofte nærmer sig som cyklisk overkroppen bevægelse med henblik på at undersøge kørestols-brugergrænseflade12,13, muskuloskeletal lastning14,15,16, og motorlæring og dygtighed erhvervelse17,18. De kombinerede biomekaniske og fysiologiske forestillinger om cykliske bevægelser tillader brug af “Power balance”, en modellering tilgang, der oprindeligt blev indført af Van Ingen Schenau19 for speed skating og cykling, og senere indført i manuel hjul mobilitet8,20,21. Figur 1 viser et effektbalancediagram for manuel fremdrift i kørestolen. Det konvergerer fra et udvalg af kritiske ydeevne bestemmende faktorer for kørestolsbrugere kombination og dens tre centrale komponenter (kørestolen, brugeren, og deres interface), på venstre side i layoutet af (bio) mekaniske og fysiologiske magtnævnere og ligninger.
Effekt er et vigtigt resultatparameter i forbindelse med sport og dagligdag, hvor peak power output kan repræsentere både øget ydeevne i tilpasset sport eller nem at fungere under aktiviteter i dagligdagen22. Desuden kan den i kombination med energiforbruganvendes til at vurdere ydeevnen med hensyn til bruttomekanisk effektivitet17,18,23 (dvs. hvor en mere kvalificeret person ville kræve mindre intern energi for at producere den samme mængde ekstern effekt). Fra et eksperimentelt perspektiv er effekt en parameter, der skal kontrolleres stramt under en test, fordi ændringer i effekt er af direkte indflydelse på alle ydelsesresultater såsom push-tid, restitutionstid24og mekanisk effektivitet25. Derfor er det vigtigt at kontrollere og rapportere effekt for alle undersøgelser i forbindelse med manuel fremdrift i kørestolen.
Overground test er guld standard med hensyn til gyldighed (dvs. inerti, luftfriktion, optisk flow, og dynamisk bevægelse)26, men standardisering af ekstern effekt, hastighed og tilhørende miljømæssige forhold er langt vanskeligere, og repeterbarhed over tid lider. Overground kørestol-relaterede undersøgelser startede i 1960’erne27,28 og fokuserede på den fysiske belastning af hjul mobilitet. Selv om afgørende i data fortolkning og forståelse8,20, forestillinger om ekstern effekt var begrænset til observation af de interne metaboliske omkostninger, når de udfører forskellige aktiviteter på forskellige overflader. I dag kan målehjul bruges til at måle effekt29,30 og kyst-down test31,32 kan udføres for at udlede friktionstab under fremdrift og dermed effekt.
Forskellige laboratoriebaserede teknologier blev udviklet til kørestolsspecifikke motionstest33, lige fra et væld af ergometre til forskellig størrelse og mærker af løbebånd. Løbebånd anses for at være tættest på overjordisk test med hensyn til gyldighed34 og har været anvendt siden 1960’erne til kørestolsmotionstest35,36. Før prøvningen skal løbebåndets hældning og hastighed kontrolleres regelmæssigt. Selv løbebånd fra samme mærke og gøre kan variere betydeligt og ændre i deres adfærd over tid37. Til bestemmelse af ekstern effekt anvendes en trækprøve20,36 til den enkelte kørestolsbrugerkombinations samlede rullekraft og interne trækkraft38. Kraftsensoren til træktesten skal også kalibreres med jævne mellemrum. For eksperimentel individualisering af protokollen i form af den samlede eksterne belastning af hjul over tid og mellem emner, et remskivesystem (figur 2) er blevet udformet som et alternativ til de tidligere hældningsafhængige gradienter af lastning36.
Et andet alternativ til standardiseret kørestolsøvelsestest har været brugen af stationære ergometre33, fra enkle off-the shelf ergometer løsninger39 til højt specialiserede computerbaserede og instrumenterede ergometre40. Meget få er kommercielt tilgængelige. Den enorme mangfoldighed i ergometerteknologi og mekaniske egenskaber indfører store ukendte grader af variabilitet blandt testresultaterne33. Ergometre og kørestole skal tilsluttes eller i sagens natur smeltes af design. Luftfriktion er ikke til stede, og opfattet inerti er begrænset til den simulerede inerti på hjulene, og bevægelse oplevet i bagagerummet, hovedet og armene under fremdrift, mens kørestolsbrugeren er stort set stationær. Ergometeret giver mulighed for sprint eller anaerob test samt isometrisk test, hvis hjulene kan blokeres tilstrækkeligt.
En grundlæggende metode til manuel forskning i bevægelse med hjul i laboratorieundersøgelser præsenteres. Der gives også et kort syn på feltbaseret kørestolsforskningsmetode og dens potentielle resultater. Det centrale fokus er at kontrollere og måle ekstern effekt (W) i både felt- og laboratoriebaserede eksperimenter. Bestemmelsen af intern effekt gennem spirometri tilføjes også, da dette ofte bruges til at bestemme bruttomekanisk effektivitet. Ud over gennemførelsen af god praksis er målet at skabe drøftelser om eksperimentel standardisering og international informationsudveksling. Den nuværende undersøgelse vil primært omhandle håndrim kørestol fremdrift og måling heraf, fordi det er den mest fremtrædende form for manuelt hjul mobilitet i videnskabelig litteratur. Men begreber, der diskuteres nedenfor, gælder imidlertid også for andre fremdriftsmekanismer for kørestolsbrugere (f.eks. håndtag, kranksæt41).
Den aktuelle protokol beskriver standardiseringog måling af effektunder overjord, løbebånd og kørestolsbaseret test under steady-state fremdrift ved 1,11 m/s. Som et eksempel vil rullende friktion først blive bestemt i overjordisk test med en kyst-down test. Ved hjælp af dette skøn over friktion, vil effektudgange blive sat i løbebånd og ergometer test ved hjælp af tilgængelige protokoller fra forskningslitteraturen. For løbebåndstest bestemmes friktionen med en træktest, og effektoutputtet justeres ved hjælp af et remskivesystem. Til ergometeret testes, bruges et computerstyret ergometer til at matche ekstern effekt med overjordisk test.
I de foregående afsnit blev der fremlagt en tilgængelig metode til bestemmelse og standardisering af effekt til forskellige laboratoriebaserede modaliteter. Derudover blev der foretaget en sammenligning mellem den indstillede effekt og den målte effekt under steady-state fremdrift. Mens systematisk fejl var til stede samt nogle variation, de præsenterede værktøjer er bedre end alternativet: ikke standardisering på alle. Disse resultater svarer til en anden undersøgelse , der rapporterede målt effekt og indstillede effekt50. Desuden var der en aftale mellem forholdene, der var ringe til moderate, hvilket tyder på, at der bør lægges ekstra vægt på undersøgelser ved hjælp af forskellige modaliteter. Som forventet præsenterede ergometerbetingelsen det nemmeste miljø at standardisere set fra operatørens perspektiv. Ergometeret klarede sig bedre i de høje friktionsindstillinger. Blokkene (3 x 4 min) inden for en modalitet viste god-til-fremragende og moderat til fremragende aftale. Interessant, ergometeret udført værre over tid, muligvis på grund af sensor drift. Derfor kan det være klogt at kalibrere ergometeret mellem hver blok. Bemærk, at disse resultater er for lav intensitet steady-state øvelse og kan variere for forskellige protokoller.
Mindre mekaniske eller ergonomiske ændringer i kombinationen af kørestolsbrugere kan have stor indflydelse på forsøgsresultater12,51. Materiel vedligeholdelse og fuld bevidsthed om køretøjets mekaniske principper er afgørende for resultaterne af ydeevnen og eksperimentets gyldighed. Køretøjets mekanik (f.eks. masse, hjulstørrelser, dæktype og tryk, justering) og pasform (f.eks. forstillingsstilling, massecenter, masse, frontalplan) af kørestolsbrugerkombination vil bestemme rullende og luftudtræk i kombination med miljøforhold. Massen og orienteringen af midten af massen vil påvirke rullende træk med hensyn til de større baghjul og de mindre hjul hjul foran. Tabel 2indeholder en oversigt over faktorer , der påvirker rullefriktionen . Desuden er kørestolen ofte individualiseret. Bortset fra interventionsbetingelserne (f.eks. køretøjsmekanik eller -grænseflade) ved hver prøvning skal kørestolsforholdene også være konstante, og køretøjets mekanik, herunder ramme, sæde og dæk, skal kontrolleres. Dækkene skal være på et fast tryk over test og blandt enkeltpersoner. Vigtige checkpoints52 er mulige friktionspunkter, baghjulsposition og potentielle ændringer ihjuljusteringen 36,53,54,55.
Overground test kræver også ambulant teknologi for hver af indikatorerne for kardiopulmonal stamme, kinematik, eller kinetik resultater. Dette kan opfyldes, men det praktiske i komplekse målinger er begrænset i et ikke-forskningsmiljø. Kyst-down test er specifikke for den enkelte kørestol-bruger kombination og rullende overflade. Men de er statiske, så de kan ikke fange alle de særlige kendetegn ved kørestol-bruger kombination56. De er særligt følsomme over for ændringer i midten af massen, hvilket kan forklare de små forskelle mellem kyst-down test og den målte overground effekt. Disse begrænsninger findes også i træktest og ergometerkalibrering, som også antager en statisk position af kørestolsbrugeren.
Træktesten måler de modsatrettede kræfter i rullende og interne træk af hver enkelt kørestolsbrugerkombination. Det er klart følsomme over for køretøjets mekanik af kørestolen, men også position og krop orientering af brugeren. En standardiseret procedure er afgørende20,36, hvor ved en konstant bæltehastighed, bruger-kørestol kombination er trukket over bæltet er forbundet til en endimensional kalibreret kraft transducer på rammen af løbebåndet i en række hældning vinkler(Figur 2). En løbebåndsadapter til vejeceller, der kan justeres til højden af kørestolens midterakse, er påkrævet. Brug lineær regressionsanalyse giver et statisk skøn over den gennemsnitlige trækkraft på løbebåndsbæltet ved nul hældning for en given kørestolsbrugerkombination, som giver den gennemsnitlige eksterne effekt med produktet af bæltehastighed og trækkraft. Træktesten er robust med hensyn til små forskelle i udførelsen af testen af forskellige operatører (f.eks. rebets position)37.
Selv om nogle gange antages en tilsyneladende simpel test, hver af de testelementer i træk test kræver forståelse af den underliggende teori og uddannelse på alle detaljerne i procedurerne8. Svarende til kyst-down test, denne test er særligt følsomme over for ændringer i midten af massen. Desuden adfærd og følsomhed af stammen gauge-baserede kraft transducers, deres konsekvente kalibrering (dvs. præcision kalibrering vægte, sekvens af montering)20,36,37, samt nogen af procedurerne i træk test, der er følsomme over for ændringer i hastighed eller hældning vinkel af løbebåndet alle skal overvejes. Det betyder, at løbebåndet selv skal kontrolleres og kalibreres samt37. Konsekvent bevidsthed om sådanne støjskabende fænomener skal spores og udføres i daglige eksperimenter.
Præcisionen af effektoutputbaserede simuleringer og deres resultater afhænger fuldt ud af standardisering, praksis og træning af dem, der udfører eksperimenterne. Mangfoldighed af løbebånd, ergometre, eller enhver anden elektronisk motordrevet enhed kan være et problem, som det fremgår af De Groot et al.51. Til gengæld for befolkningsbaserede data bør man være opmærksom på den potentielle rolle, som sådanne forskelle spiller på testresultaterne. I ethvert kørestolseksperiment skal der fremlægges en korrekt forklaring af testbetingelserne og åben præsentation af de faktiske værdier for hastighed, modstand og effekt for enhver undergruppe eller måletilstand.
I kørestolseksperimenter er det svært at slippe for, at testprøven er heterogenitet, når der fokuseres på de faktiske kørestolsbrugere. Blandt dem, mennesker med en rygmarvsskade er oftest genstand for forskning, fordi de har tendens til at have en stabil rygmarvslæsion for resten af deres liv. Læsionsniveau, fuldstændighed, køn, alder, talent og træningsstatus bestemmer heterogeniteten af sådanne studiegrupper57. En forøgelse af antallet af deltagere gennem samarbejde mellem flere centre er en vigtig måde at omgå dette på og øge eksperimenternes magt57, selv i de tidlige stadier af rehabilitering10. Dette papir er forhåbentlig et springbræt til en bred diskussion om kørestolseksperimenter i rehabilitering og adaptive sportssamfund, der forhåbentlig fører til internationalt samarbejde og videnudveksling gennem de eksisterende og nye netværk af forskere. Tilgængeligheden af tilstrækkelig testinfrastruktur giver mulighed for konsekvent overvågning og evaluering af fremskridt inden for klinisk rehabilitering, adaptive sportsgrene og videre.
The authors have nothing to disclose.
Udarbejdelsen af dette manuskript blev støttet økonomisk af et tilskud fra Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) og blev medfinansieret af Økonomiministeriets opp-godtgørelse for økonomiske anliggender.
'coast_down_test' software | University Medical Center Groningen | – | Custom made |
ADA3 software | University Medical Center Groningen | – | Custom made |
Angle sensor | Mitutoyo | Pro 360 | |
Calibration weights (0-10kg in 1kg increments) | University Medical Center Groningen | – | Custom made |
Drag test force sensor (20kg) | AST | KAP-E/Z | |
Extra wide treadmill | Motek-forcelink | 14-890-0387 | |
IMU sensor set | X-IO Technologies | NGIMU | |
Inertial dummy | Max Mobility | Optipush | |
Lightweight rope | – | – | Custom made |
Lode Ergometry Manager | Lode | LEM 10 | |
Measurement wheel | Max Mobility | Optipush | |
Pulley system | University Medical Center Groningen | – | Custom made |
Spirometer | COSMED | K-5 | |
Stopwatch | Oneplus | 6T | Phone stopwatch |
Tachometer | Checkline | CDT-2000HD | |
Treadmill attachment for drag test | University Medical Center Groningen | – | Custom made |
Weights for pulley (0-2kg in 5g increments) | University Medical Center Groningen | – | Custom made |
Wheelchair | Küsschall | K-series | |
Wheelchair roller ergometer | Lode | Esseda |