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Determinación y control de la salida de energía externa durante la propulsión regular de la silla de ruedas Handrim

Published: February 5, 2020 doi: 10.3791/60492
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 3,4, 1,5
1Center for Human Movement Sciences, University Medical Center Groningen, 2Amsterdam Rehabilitation Research Center Reade, Amsterdam, 3Research Institute MOVE, Faculty of Behavioral and Human Movement Sciences, VU University, 43M, Delft University of Technology, Delft, 5Center for Rehabilitation, University Medical Center Groningen

Summary

La evaluación precisa y estandarizada de la potencia externa es crucial en la evaluación del estrés fisiológico, biomecánico y percibido, la tensión y la capacidad en la propulsión manual de la silla de ruedas. El artículo actual presenta varios métodos para determinar y controlar la potencia de salida durante los estudios de propulsión en silla de ruedas en el laboratorio y más allá.

Abstract

El uso de una silla de ruedas manual es fundamental para el 1% de la población mundial. La investigación sobre la movilidad con ruedas impulsada por humanos ha madurado considerablemente, lo que ha llevado a que las técnicas de investigación mejoradas estén disponibles en las últimas décadas. Para aumentar la comprensión del rendimiento de la movilidad con ruedas, el monitoreo, el entrenamiento, la adquisición de habilidades y la optimización de la interfaz entre silla de ruedas y usuario en rehabilitación, vida diaria y deportes, mayor estandarización de las configuración de medición y análisis. Un escalón crucial es la medición precisa y la estandarización de la potencia externa (medida en vatios), que es fundamental para la interpretación y comparación de experimentos destinados a mejorar la práctica de rehabilitación, las actividades de la vida diaria, y deportes adaptativos. Las diferentes metodologías y ventajas de la determinación precisa de la potencia de salida durante las pruebas terrestres, de cinta de correr y basadas en el ergómetro se presentan y discuten en detalle. La propulsión sobre el terreno proporciona el modo más válido externamente para las pruebas, pero la estandarización puede ser problemática. La propulsión de la cinta de correr es mecánicamente similar a la propulsión sobre terrestre, pero no es posible girar y acelerar. Un ergometro es el más restringido y la estandarización es relativamente fácil. El objetivo es estimular las buenas prácticas y la estandarización para facilitar el desarrollo de la teoría y su aplicación entre las instalaciones de investigación y las ciencias clínicas y deportivas aplicadas en todo el mundo.

Introduction

Con un estimado de un 1% de la población mundial que depende de la movilidad de las ruedas hoy1,2, un flujo constante de trabajo de investigación internacional emerge cada vez más en revistas internacionales revisadas por pares en diversos campos como la rehabilitación1,3, ingeniería4, y ciencias del deporte5,6. Esto conduce a una creciente base de conocimiento y comprensión de las complejidades de este modo común de la ambulación humana. Sin embargo, para el desarrollo continuo y la implementación en la rehabilitación y las prácticas deportivas adaptativas, es necesario un mayor intercambio internacional y colaboración en investigación. Integral a estas redes colaborativas son la mejora de la estandarización de los procedimientos experimentales y de medición y la tecnología. Además, la implementación coherente de un seguimiento preciso del rendimiento de la combinación silla de ruedas-usuario en el laboratorio y/o en el campo es importante para un funcionamiento y participación individual óptimos, mientras que un estilo de vida saludable y activo se mantiene a lo largo de la vida útil del individuo7,8,9.

Experimentalmente, la propulsión manual en silla de ruedas durante las condiciones de ejercicio en estado estacionario o pico10,11 se aborda a menudo como movimiento cíclico de la parte superior del cuerpo con el fin de examinar la interfaz de usuario de silla de ruedas12,13, carga musculoesquelética14,15,16, y el aprendizaje motor y adquisición de habilidades17,18. Las nociones biomecánicas y fisiológicas combinadas de movimientos cíclicos permiten el uso del "Balance de potencia", un enfoque de modelado que fue introducido inicialmente por Van Ingen Schenau19 para patinaje de velocidad y ciclismo, y más tarde introducido en la movilidad manual con ruedas8,20,21. La Figura 1 muestra un diagrama de balance de potencia para la propulsión manual de sillas de ruedas. Converge a partir de una selección de factores críticos determinantes del rendimiento para la combinación silla de ruedas-usuario y sus tres componentes centrales (la silla de ruedas, el usuario y su interfaz), en el lado izquierdo en el diseño de los denominadores y ecuaciones de potencia (bio)mecánica y fisiológica.

La potencia de salida es un parámetro de resultado importante en los contextos de los deportes y la vida diaria, donde la potencia máxima de la potencia puede representar tanto un mayor rendimiento en deportes adaptados como la facilidad de funcionamiento durante las actividades en la vida diaria22. Además, en combinación con el consumo de energía se puede utilizar para evaluar el rendimiento en términos de eficiencia mecánica bruta17,18,23 (es decir, donde un individuo más cualificado requeriría menos energía interna para producir la misma cantidad de potencia externa). Desde una perspectiva experimental, la potencia de salida es un parámetro que debe controlarse estrechamente durante una prueba, ya que los cambios en la potencia de salida son de influencia directa en todos los resultados de rendimiento, como el tiempo de inserción, el tiempo de recuperación24y la eficiencia mecánica25. En consecuencia, el control y la generación de energía de notificación son esenciales para todos los estudios relacionados con la propulsión manual de sillas de ruedas.

Las pruebas sobre tierra son el estándar de oro en términos de validez (es decir, inercia, fricción del aire, flujo óptico y movimiento dinámico)26,pero la estandarización de la salida de potencia externa, la velocidad y las condiciones ambientales asociadas es mucho más difícil, y la repetibilidad con el tiempo se ve afectada. Los estudios sobre sillas de ruedas comenzaron en la década de 196027,28 y se centraron en la tensión física de la movilidad con ruedas. Aunque crucial en la interpretación y comprensión de datos8,20, las nociones sobre la producción de energía externa se limitaron a la observación del costo metabólico interno al realizar diferentes actividades en diferentes superficies. Hoy en día, las ruedas de medición se pueden utilizar para medir la potencia de salida29,30 y pruebas de reducción31,32 se pueden realizar para inferir las pérdidas de fricción durante la propulsión y, por lo tanto, la potencia de salida.

Se desarrollaron diferentes tecnologías basadas en laboratorio para las pruebas de ejercicio específicas de sillas de ruedas33,que van desde una multitud de ergometros hasta marcas de diferentes tamaños y marcas de cintas de correr. Las cintas de correr se consideran las más cercanas a las pruebas sobre el terreno en términos de validez34 y se han utilizado desde la década de 1960 para las pruebas de ejercicio en silla de ruedas35,36. Antes de la prueba, la pendiente y la velocidad de la cinta de correr deben comprobarse regularmente. Incluso las cintas de correr de la misma marca y marca pueden diferir considerablemente y cambiar en su comportamiento en el tiempo37. Para la determinación de la potencia externa, se utiliza una prueba de arrastre20,36 para el total de la combinación de silla de ruedas individual y usuario38. El sensor de fuerza para la prueba de arrastre también tiene que ser calibrado periódicamente. Para la individualización experimental del protocolo en términos de carga externa global de ruedas a lo largo del tiempo y entre sujetos, se ha diseñado un sistema de poleas(Figura 2)como alternativa para los gradientes anteriores dependientes de la pendiente de carga36.

Otra alternativa para las pruebas de ejercicio en silla de ruedas estandarizadas ha sido el uso de erómetros estacionarios33,desde soluciones simples de ergometros fuera de la estantería39 hacia ergometros basados en computadora sin informática altamente especializados40. Muy pocos están disponibles comercialmente. La enorme diversidad en la tecnología del ergometro y las características mecánicas introduce grandes grados desconocidos de variabilidad entre los resultados de la prueba33. Los ergometros y las sillas de ruedas deben estar conectados o fusionados intrínsecamente por diseño. La fricción del aire no está presente y la inercia percibida se limita a la inercia simulada en las ruedas, y el movimiento experimentado en el tronco, la cabeza y los brazos durante la propulsión, mientras que el usuario de la silla de ruedas es esencialmente estacionario. El ergometro permite pruebas sprint o anaeróbicas, así como pruebas isométricas, si las ruedas pueden bloquearse adecuadamente.

Se presenta una metodología básica para la investigación manual de movilidad con ruedas en estudios basados en laboratorio. Además, se proporciona una breve perspectiva sobre la metodología de investigación de sillas de ruedas sobre el terreno y sus posibles resultados. El enfoque central es controlar y medir la potencia externa (W) en experimentos de campo y basados en laboratorio. También se añade la determinación de la potencia interna a través de la espirometría, ya que esto se utiliza a menudo para determinar la eficiencia mecánica bruta. Aparte de la aplicación de las buenas prácticas, el objetivo es elaborar debates sobre la normalización experimental y el intercambio internacional de información. El estudio actual abordará principalmente la propulsión de las sillas de ruedas de mano y su medición, ya que es la forma más destacada de movilidad con ruedas manuales en la literatura científica. Sin embargo, las nociones que se describen a continuación son igualmente válidas para otros mecanismos de propulsión en silla de ruedas (por ejemplo, palancas, manivelas41).

El protocolo actual describe la estandarización y medición de la potencia de salida durante las pruebas basadas en ergometro de altura, cinta de correr y silla de ruedas durante la propulsión en estado estacionario a 1,11 m/s. Por ejemplo, la fricción de rodadura se determinará primero en las pruebas sobre el terreno con una prueba de costa hacia abajo. Usando esta estimación de fricción, las salidas de potencia se establecerán en las pruebas de la cinta de correr y el erómetro utilizando los protocolos disponibles de la literatura de investigación. Para las pruebas de cinta de correr, la fricción se determinará con una prueba de arrastre, y la potencia de salida se ajustará utilizando un sistema de poleas. Para las pruebas de ergometro, se utiliza un ergoómetro controlado por ordenador para hacer coincidir la salida de energía externa con la prueba de tierra.

Protocol

Este estudio fue aprobado por el comité ético local (Ethical Committee Human Movement Sciences) en el University Medical Center Groningen. Todos los participantes firmaron el consentimiento informado por escrito.

1. Diseño y configuración del estudio

  1. Instruir al participante y obtener el consentimiento informado de acuerdo con el Comité Ético de la institución.
  2. Determinar la preparación para la actividad física de los participantes realizando una evaluación de línea de base con el Cuestionario de preparación para la actividad física42,43.
  3. Realice pruebas de detección hospitalarias con un médico.
  4. Decida una salida de potencia fija para todos los participantes (por ejemplo, 10 a 20 W a 1,11 m/s), una salida de potencia relativa (por ejemplo, 0,25 W/kg de peso corporal a 1,11 m/s) o una salida de potencia individual "realista" basada en una superficie de interés (basada en una prueba de reducción de costa).
  5. Permita que el participante se familiarice con las condiciones de la planta, la cinta de correr y el ergometer antes de la prueba.
  6. Compruebe la presión de los neumáticos y la mecánica general de la silla de ruedas antes de cada medición e infle los neumáticos a 600 kPa si es necesario.
    NOTA: Para obtener resultados válidos en estado estacionario para el trabajo cardiopulmonar de la parte superior del cuerpo y la eficiencia mecánica bruta (ME), se debe adherir a una duración mínima de 3 minutos por capacidad de ejercicio submáxima (hasta 70% de capacidad de ejercicio pico) para lograr el ejercicio de estado estacionario con una relación de intercambio respiratorio por debajo de 144,45. Especialmente en la propulsión del borde de la mano, la velocidad de la silla de ruedas debe permanecer dentro de un rango cómodo o factible (0,56 x 2,0 m/s) para excluir los problemas de control del motor46,47,48, lo que significa que los incrementos de potencia se controlan preferentemente mediante incrementos de resistencia.

2. Salida de potencia externa durante las pruebas sobre tierra

  1. Realice la prueba de costa abajo en la superficie de interés. Coloque al participante en una posición activa y lo más estandarizada posible: pies en el reposapiés, manos en el regazo y mirando hacia adelante (la posición debe reflejar la posición durante la propulsión).
    NOTA: Cada movimiento cambia el centro de masa, lo que cambia la resistencia a la rodadura.
  2. Acelere la silla de ruedas a alta velocidad.
    NOTA: Esto también puede ser hecho por el participante.
  3. Deje que la silla de ruedas se desacelere completamente sin interferencias.
  4. Registre los datos de tiempo y velocidad durante la desaceleración (por ejemplo, con ruedas de medición o unidades de medida inercial). Véanse las secciones 2.4.1 y 2.4.2.
    1. Registre los datos utilizando ruedas de medición.
      1. Sustituya las ruedas de la silla de ruedas por una rueda de medición y el muñeco inercial(Tabla de Materiales),preferiblemente mientras el participante no esté en la silla de ruedas.
        NOTA: Este ejemplo es para la rueda OptiPush. Otras ruedas pueden tener diferentes requisitos de calibración.
      2. Encienda la rueda de medición con el interruptor de encendido/apagado.
      3. Encienda el portátil con el receptor Bluetooth USB y el software asociado.
      4. Abra el software en el ordenador.
      5. Conecte la rueda con el software seleccionando el puerto de comunicación (COM) correcto. Si el puerto COM correcto no aparece en la lista, presione Actualizar para actualizar la lista e inténtelo de nuevo. Pulse Siguiente.
      6. Rellene los campos obligatorios en la pantalla Configuración de cliente. Pulse Siguiente.
        NOTA: Preste especial atención a los ajustes tamaño de la rueda y del lado de la rueda.
      7. Recopile los datos de desplazamiento pulsando Inicio en la configuración de la rueda y girando lentamente la rueda sin tocar el volante hasta que el círculo rojo se vuelva verde. Como alternativa, pulse Omitir para omitir este paso si el procedimiento ya se ha realizado desde la última instalación de la rueda. Pulse Siguiente.
      8. Para recopilar datos, pulse Grabar en la pantalla Recopilación de datos. Reanuda el protocolo regular de costa abajo a partir de ahora.
        NOTA: Los scripts para el análisis de los datos de la rueda de medición están disponibles en el Material Complementario 1.
    2. Registre los datos utilizando unidades de medida inercial (IMI).
      1. Coloque las IMI(Tabla de Materiales)a la silla de ruedas: una en cada cubo de rueda y otra en el centro debajo del asiento. Anote qué IMU se adjunta donde y en qué orientación para referencia posterior.
      2. Encienda las IMU y conecte las IMU al equipo mediante el ejecutable NGIMU Synchronized Network Manager.
      3. Para recopilar datos, vaya a Herramientas, luego seleccione Registrador dedatos y pulse Iniciar. Reanuda el protocolo regular de costa abajo a partir de ahora.
        NOTA: Los scripts para el análisis de datos IMU están disponibles en el Material Complementario 2.
  5. Repita el procedimiento de reducción (2.1-2.4) y recopile datos de ida y vuelta para reducir la influencia de superficies irregulares.
  6. Abra el software coast_down_test en un ordenador. Pulse Importar datos para importar el archivo de datos de bajada (rueda de medición o IMU). Seleccione secciones de costa abajo en los datos utilizando el control deslizante en el gráfico de la derecha y presionando Selección de agarre.
  7. Establezca el peso del participante y de la silla de ruedas en la sección Configuración. Pulse Calcular resultados. Anote la fricción media de rodadura (N) y el coeficiente de fricción de rodadura. Pulse Exportar para guardar todos los datos (meta) para una referencia posterior.
    NOTA: Cuando no se puede asumir la fricción constante debido al arrastre de aire (es decir, en la mayoría de los entornos deportivos), el análisis se vuelve un poco más complejo. El protocolo es idéntico, pero la velocidad inicial probablemente debería ser mayor. En este caso, es necesario resolver una ecuación diferencial no lineal y esa ecuación debe ajustarse a un ajustador de curva (por ejemplo, Levenberg-Marquardt)49.



    En esta ecuación está la velocidad instantánea y es la velocidad inicial al inicio de la desaceleración. refleja la fricción dependiente de la velocidad y refleja la fricción independiente de la velocidad (). Los scripts para el análisis de las pruebas de costa abajo están disponibles en el Material Suplementario 3 y la interfaz gráfica de usuario (GUI) para el análisis de las pruebas de reducción utilizadas en el paso 2.7 está disponible en el Material Suplementario 4.

3. Salida de potencia externa durante las pruebas de la cinta de correr

  1. Caracterización de la cinta de correr
    1. Mida la velocidad de la cinta de correr cargada con un tacómetro calibrado para determinar qué ajuste de la cinta de correr debe utilizarse (por ejemplo, para 1,11 m/s la cinta de correr debe ajustarse a 4,1 km/h en la pantalla en lugar de 4,0 km/h).
      NOTA: Alternativamente, determine la velocidad de la correa midiendo la longitud de la correa y contando diez rotaciones mientras graba el tiempo con un cronómetro/cámara de video.
    2. Mida los ángulos de la cinta de correr utilizando un sensor de ángulo. Compruebe la consistencia repitiendo las mediciones y compruebe si hay histéresis repitiendo las mediciones en orden descendente.
      NOTA: Compruebe la velocidad de la cinta de correr con un tacómetro y ángulos con un sensor de ángulo durante cada medición si su fiabilidad es baja.
  2. Prueba de arrastre: calibración
    1. Encienda la fuente de alimentación del sensor de fuerza de prueba de arrastre al menos 30 minutos antes de la calibración.
    2. Suspenda el transductor de fuerza verticalmente y alinee con un láser autonivelante o un sensor de ángulo.
    3. Configure el ordenador de prueba de arrastre y conecte el sensor de fuerza con el ordenador. Abra el software ADA3 en el ordenador de prueba de arrastre y pulse Calibrar sensorde fuerza .
    4. Fije los pesos conocidos (calibrados) (1-10 kg con incrementos de 1 kg) al sensor y registre los valores digitales.
    5. Ajuste una ecuación de regresión lineal para determinar la relación entre la carga aplicada y la tensión medida continuando en el software ADA3.
    6. Repita (3.2.1-3.2.5) si el error de media-cuadrado raíz (RMSE) supera 0,13 N37.
  3. Realizar una prueba de arrastre
    1. Encienda la fuente de alimentación al menos 30 minutos antes de medir.
    2. Configure el ordenador de prueba de arrastre y conecte el sensor de fuerza con el ordenador. Abra el software ADA3 en el ordenador de prueba de arrastre y pulse Mediciones de la tabla de alimentación.
    3. Coloque la combinación silla de ruedas y usuario en la cinta de correr. Coloque al participante en una posición activa y lo más estandarizada posible: pies en el reposapiés, manos en el regazo y mirando hacia adelante (la posición debe reflejar la posición durante la propulsión). Indique al participante que mantenga la misma posición durante toda la prueba.
    4. Mida el desplazamiento de la célula de carga mediante la fuerza de grabación sin necesidad de cable conectado con el software ADA3. Pulse OK.
    5. Conecte la silla de ruedas al transductor de fuerza con una cuerda ligera. Asegúrese de que la célula de carga y la cuerda estén alineadas horizontalmente con el eje de la rueda trasera de la silla de ruedas.
    6. Acelere la correa a la velocidad deseada, en este caso 1,11 m/s (4,1 km/h en pantalla).
    7. Aumente la inclinación de la cinta de correr, espere hasta que la posición de la cinta de correr y la combinación de silla de ruedas y usuario sea estable, y registre la fuerza y el ángulo. Repita para 10 ángulos cada vez más pronunciados (1,5-6% en incrementos del 0,5%).
    8. Ajuste una regresión lineal utilizando el ángulo y la fuerza utilizando el software ADA3 haciendo clic en Siguiente. Calcule la fuerza en el ángulo cero de la cinta de correr.
      NOTA: La interceptación de la ecuación de regresión no se puede utilizar si el ángulo de la cinta de correr tiene un desplazamiento.
    9. Repita la prueba de arrastre (3.3.3-3.3.8) si el RMSE de la línea de regresión lineal supera 0,5 N37.
  4. Ajuste de la salida de potencia en una cinta de correr
    1. Calcule la salida de potencia deseada y determine la velocidad de prueba.
      NOTA: Para el protocolo actual, esto es igual a los resultados obtenidos en el paso 2.7.
    2. Calcule el peso de la polea requerido restando la fricción de la prueba de arrastre (del paso 3.3.8) de la fricción de destino (del paso 2.7).
    3. Coloque la polea delante o detrás de la cinta de correr y asegúrese de que esté centrada. Fije la polea a la silla de ruedas y asegúrese de que la cuerda esté nivelada. Indique al participante que el peso de la polea podría mover la silla de ruedas.
    4. Fije el peso (generalmente entre 0-1 kg) al sistema de poleas usando una cesta de masa baja conocida y un mosquetón. Aumente lentamente el peso si es necesario, hasta que se logre la potencia deseada.
      NOTA: Alternativamente, cambie la potencia de salida cambiando el ángulo de la cinta de correr en función de la tabla de potencia de una prueba de arrastre.

4. Salida de potencia externa durante las pruebas basadas en el ergoómetro

  1. Encienda el ergometro al menos 30 minutos antes de medir. Inicie el software asociado en el equipo.
  2. Pulse el widget Participante y, a continuación, pulse Añadir.... Entregue al participante una identificación e introduzca el peso corporal del participante. Pulse OK.
  3. Pulse el icono de silla de ruedas en el menú Dispositivo. Rellene las especificaciones de la silla de ruedas en el formulario. Pulse OK.
    NOTA: La variable de peso corporal es importante, ya que influirá en la simulación proporcionada por el ergometer.
  4. Presione el widget de protocolo. Cree un protocolo personalizado seleccionando Agregar.... Seleccione Protocolo personalizado y pulse Siguiente. Asigne al protocolo un nombre adecuado y pulse Crear.
  5. Seleccione Etapas y haga clic en Agregar escenario y resistencia. Establezca la resistencia al coeficiente de fricción obtenido con la prueba de reducción en la sección 2. Establezca la velocidad objetivo a 4 km/h y pulse OK (Figura 3).
  6. Configure la pantalla del participante. Elimine todos los widgets de la pantalla. Haga clic en Agregar widget y seleccione el widget Dirección de silla de ruedas y arrástrelo a la pantalla(Figura 4).
  7. Alinee la silla de ruedas en los rodillos utilizando el sistema de alineación. Fije la silla de ruedas con el sistema de cuatro correas. Compruebe que las ruedas no toquen el ergometer y estén correctamente alineadas.
  8. Coloque al participante en una posición activa y lo más estandarizada posible: pies en el reposapiés, manos en el regazo y mirando hacia adelante (la posición debe reflejar la posición durante la propulsión). Indique al participante que mantenga la misma posición durante toda la prueba.
  9. Calibre el ergometer con el software asociado pulsando el botón Crosshair en el menú Dispositivo y pulse Iniciar calibración.
    NOTA: Los scripts para el análisis de datos de ergometros están disponibles en el Material Complementario 5.

5. Estimaciones internas de la potencia de salida durante la propulsión de la silla de ruedas del borde de la mano

  1. Encienda el espirómetro durante al menos 45 minutos antes de cualquier calibración o prueba.
  2. Calibre el espirómetro de acuerdo con las directrices de fábrica utilizando el software asociado, incluidas las calibraciones para turbina, gas de referencia, aire de la habitación y retardo.
    NOTA: Las calibraciones de aire de la habitación y de gas de referencia deben realizarse antes de cada prueba.
    1. Realice una calibración de turbina.
      1. Pulse Turbina en el menú de calibración. Conecte la turbina con un lector optoelectrónico al espirómetro. Conecte la jeringa de calibración con un volumen conocido a la turbina.
      2. Cuando la unidad esté lista, realice seis trazos controlados y completos con el pistón. Pulse el icono Salir.
    2. Realice una calibración de gas de referencia.
      1. Pulse Gas de referencia en el menú de calibración. Conecte el regulador de presión al cilindro de calibración con una concentración conocida de gas mezclado.
        NOTA: El cilindro debe estar abierto, pero el regulador de presión debe estar cerrado.
      2. Conecte la línea de muestreo al conector de muestreo del espirómetro y deje el otro extremo desconectado. Deje que el espirómetro enjuague los analizadores. Asegúrese de que la línea de muestreo está lejos de cualquier gas exhalado.
      3. Cuando se lo solicite el espirómetro, conecte el extremo libre de la línea de muestreo al regulador de presión del cilindro de calibración y abra el regulador. Salga con el icono Salir después de que finalice la calibración.
    3. Realice una calibración de aire de la habitación.
      1. Conecte la línea de muestreo al conector de muestreo del espirómetro y deje el otro extremo libre. Salga con el icono Salir después de que finalice la calibración.
    4. Realice una calibración de retardo.
      1. Conecte la turbina al lector optoelectrónico y conecte el tubo de muestreo. Asegúrese de que ambos estén conectados al espirómetro.
      2. Sincronice la respiración con la señal acústica. Esto puede ser realizado por el operador.
        NOTA: Este procedimiento debe repetirse cada vez que se cambia un tubo de muestreo. Limpie o cambie la máscara utilizada para este procedimiento antes de dárselo al participante.
      3. Salga con el icono Salir después de que finalice la calibración.
  3. Ponga la máscara del espirómetro en el participante. Ajuste las bandas elásticas en el capuchón de la cabeza para crear un sello hermético alrededor de la cara del sujeto.
    NOTA: Opcionalmente conecte un monitor de frecuencia cardíaca al espirómetro y deje que el participante use la correa de frecuencia cardíaca.
  4. Fije la manguera del espirómetro para que no interfiera con el movimiento.
  5. Pulse Pruebay, a continuación, introduzca un sujeto Nuevo en la pantalla del espirómetro.
  6. Para las pruebas de ejercicio submáximas, elija el modo de respiración por respiración. Para iniciar la grabación pulse la tecla Grabar en el espirómetro.
    NOTA: Los scripts para el análisis de datos de espirómetro están disponibles en el Material Complementario 6.

6. Procedimiento de prueba

  1. Indique al participante que realice 4 minutos de ejercicio en estado estacionario a la velocidad deseada (1,11 m/s).
    1. Indique al participante que utilice la retroalimentación de velocidad para permanecer (en promedio) a la velocidad deseada.
      NOTA: La velocidad se puede mostrar desde la rueda de medición o los IMU desde sus respectivos portátiles en condiciones terrestres. Los portátiles tienen correas de gancho y lazo que permiten la fijación en las piernas.
    2. Indique al participante que permanezca (en promedio) en el centro de la cinta de correr para la condición de la cinta de correr.
    3. Indique al participante que mire la velocidad y la retroalimentación de rumbo en la pantalla del ergometro en la condición del ergometro y que la mantenga (en promedio) dentro del rango objetivo.
  2. Inicie un cronómetro y el espirómetro (paso 5.6) al mismo tiempo.
    NOTA: Esto se puede hacer sin un gatillo externo, ya que la diferencia de sincronización de presionar el inicio es insignificante mientras se usa espirometría respirable por respiración.
  3. Después de los 30 s, inicie la propulsión en silla de ruedas.
    NOTA: Para las condiciones de la cinta de correr y el ergometro, esto implica el arranque de la cinta de correr o el ergometro. Cuando utilice una rueda de medición (paso 2.4.1.8) o IME (paso 2.4.2.3) intérelos también.
    1. Utilice el botón de vuelta en la condición de terreno para marcar las esquinas de la pista.
  4. Después de otros 4 minutos durante el examen, sin previo aviso, indique al participante que deje de empujar la silla de ruedas.
    NOTA: En las condiciones de la cinta de correr se necesitan algunos empujes adicionales antes de que se detenga la correa.

Representative Results

Usando el procedimiento antes mencionado, se determinó la salida de energía para 17 participantes familiarizados (dos sesiones de 30 minutos de práctica) participantes capaces con una prueba de deida y bajada por tierra (media de cinco ensayos). El perfil de costa abajo se caracterizó con una rueda de medición en un pasillo de hospital suave. Después, los participantes fueron medidos durante el terreno (25,0 x 9,0 m de circuito), la cinta de correr (2,0 x 1,2 m) y la propulsión del ergometro para sillas de ruedas. La potencia de salida en las modalidades de la cinta de correr y el ergometro se igualó con la condición de sobretierra utilizando los protocolos descritos en este documento.

La salida de potencia se obtuvo de la misma rueda de medición durante tres bloques de 4 minutos de propulsión en silla de ruedas después de un bloque de familiarización de igual longitud. Sólo se utilizó el último minuto de cada bloque para el análisis, asumiendo la propulsión en estado estacionario. Para los datos de propulsión sobre el suelo sólo se utilizaron las rectas largas (25 m). Todos los datos (pre)procesamiento se realizaron en Python 3.7 (Python Software Foundation). Las estimaciones de la CPI y sus intervalos de confianza del 95% se calcularon en R 3.3.4 (R Core Team), utilizando un modelo de efectos aleatorios de una sola calificación, de absoluto acuerdo.

El peso medio combinado del sistema de usuario de sillas de ruedas fue de 92,6 kg (8,3 euros). La potencia media esperada de la prueba de reducción de costa fue de 9,7 W (1,6). La potencia de salida calculada a partir de la rueda de medición fue inferior a la propulsión de la silla de ruedas de 8,1 W (1,4, 1,4 W), a la cinta de correr de 7,8 W (1,9) y al ergometro de 8,7 W (2,2). La diferencia media entre la potencia objetivo y la potencia de salida medida fue de -1,6 (1,6), -1,8 (1,4), -1,0 (1,0) W para la propulsión de sobremoldeo, cinta de correr y ergometro, respectivamente. Estos resultados también se muestran en la Tabla 1, la Figura 5y la Figura 6.

La potencia de propulsión para propulsión terrestre mostró un acuerdo de pobre a moderado (ICC: 0,38, CI: 0,00-0,73) con la salida objetivo. Por el contrario, la propulsión de la cinta de correr mostró un acuerdo de mala a buena (ICC: 0,45, CI: 0.00-0.79) y la propulsión del ergometro mostró un acuerdo de pobre a excelente (ICC: 0.77, CI: 0.11-0.93). El error absoluto se correlacionó negativamente con la potencia de salida para la propulsión en el ergometro (r -0,55, p a 0,02), pero no para las otras dos condiciones (sobre el terreno: r a 0,47, p a 0,06; cinta de correr: r a 0,22, p a 0,40).

El acuerdo entre condiciones fue de falta a moderada (ICC: 0,49, CI: 0,20-0,74). La fiabilidad dentro de la modalidad (entre los tres bloques de 4 minutos) era buena a excelente para el sobreelsuelo (ICC: 0,91, CI: 0,82-0,97) y la cinta de correr (ICC: 0,97, CI: 0,93-0,99) propulsión y de moderado a excelente para propulsión de ergometro (ICC: 0,97, CI: 0,71-0.99). El ergometro parecía tener un peor desempeño con el tiempo, lo que fue confirmado por un ANOVA de medidas repetidas (F(2, 32) a 64,7 , p < 0,01), pero no hubo efecto de tiempo para el sobreelsuelo (F(2, 32) a 0,9 , p a 0,418) y a la cinta de correr (F(2, 32) a 0,9 , p a 0,402).

Figure 1
Figura 1: Equilibrio de potencia aplicado a la propulsión manual en silla de ruedas. SalidaP : salida de potencia externa (W); ME: eficiencia mecánica bruta (%); F: fuerza media de resistencia; V: velocidad media de la costa; A: trabajo por empuje o ciclo (J); fr: frecuencia de pulsaciones o ciclos (1/s); Pint: pérdidas internas (W); Paire: resistencia aerodinámica (W); RolloP : fricción de rodadura (W); Pincl: pérdidas debidas a inclinación (W). Esta cifra se reimprime de van der Woude et al.20. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Configuración de la cinta de correr. Izquierda: Configuración de la polea para aumentar la potencia externa de salida en una cinta de correr durante la propulsión. Derecha: Ajuste de prueba de arrastre para medir las fuerzas de fricción durante la propulsión de la silla de ruedas de la cinta de correr. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Ventana de configuración del protocolo para el ergometro de silla de ruedas. La salida de potencia se puede establecer eligiendo una salida de potencia y una velocidad de objetivo o una fricción de rodadura y una velocidad de objetivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Comentarios sobre el ergometro de silla de ruedas en forma de trazado de líneas. Se trazan las velocidades de los rodillos izquierdo y derecho. Los participantes deben tratar de mantener una velocidad constante mientras van en línea recta (manteniendo la línea en pantalla horizontal). Los datos de velocidad se suavizan con una ventana deslizante que se puede cambiar en los ajustes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Distribuciones de diferencia relativa y absoluta entre la fricción de la costa hacia abajo y la potencia de salida medida durante la propulsión de tierra (OG), cinta de correr (TM) y ergometro (WE). Los bigotes muestran 1.5x la gama intercuartil. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Gráfica Bland-Altman para fricción de costa abajo y potencia de salida medida durante la propulsión en silla de ruedas (izquierda), cinta de correr (centro) y ergometro (derecha). Las líneas de puntos gris oscuro indican la media agrupada para una combinación y las líneas de puntos rojas son la media + 1,96 desviaciones estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Valor a dos cara (W)2 Diferencia con el objetivo Diferencia con el objetivo (%) Diferencia con el objetivo (abs) Acuerdo con PO objetivo (ICC)3 Fiabilidad entre bloques (ICC)3
PO objetivo1 9,68 (1,57 euros) N.a N.a N.a. N.a N.a.
PO sobre el terreno 8,12 (1,41 euros) -1,56 (1,57 euros) -15,30 (13,70 euros) 1,72 (1,57 euros) 0,38 (0,00 a 0,73)* 0,91 (0,82 x 0,97)*
Po de la cinta de correr 7,84 (1,92 euros) -1,84 (1,38 euros) -18,98 (13,42 euros) 1,91 (1,16 euros) 0,45 (0,00 a 0,79)* 0,97 (0,93 x 0,99)*
Ergometer PO 8,65 (2,24 euros) -1,02 (0,97 euros) -11,82 (11,94 euros) 1,16 (0,78 euros) 0,77 (0,11-0,93)* 0,97 (0,71-0,99)*
1. Calculado a partir de la fricción de costa abajo. 2. Determinado con rueda de medición. 3. Acuerdo bidireccional y absoluto, tasadores fijos con intervalos de confianza del 95%. * p < 0.001.

Tabla 1: Comparación de la potencia establecida y la potencia real de salida medida con una rueda de medición.

Factores Resistencia a la rodadura
Masa corporal ? ↑
Masa de silla de ruedas ? ↑
Presión de los neumáticos ? ↑
Tamaño de la rueda ? ↓
Suelo de dureza ? ↑
Angulo de Camber ? ?
Dedo del pie/salida ? •
Castor shimmy ? ↑
Centro de masa en las ruedas traseras ↓
Marco plegable ↑
Mantenimiento de la aplicación ? ↑

Tabla 2: Factores que influyen en la fricción de la rodadura y la potencia de salida durante la propulsión manual de la silla de ruedas. Esta tabla se reimprime de van der Woude et al.8.

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Discussion

En las secciones anteriores se presentó una metodología accesible para determinar y estandarizar la producción de energía para diferentes modalidades basadas en laboratorio. Además, se realizó una comparación entre la potencia establecida y la potencia medida durante la propulsión en estado estacionario. Si bien el error sistemático estaba presente, así como cierta variabilidad, las herramientas presentadas son mejores que la alternativa: no estandarizar en absoluto. Estos resultados son similares a otro estudio que reportó la potencia medida de salida y la potencia de ajuste50. Además, el acuerdo entre las condiciones era deficiente a moderado, lo que indica que se debía prestar una atención adicional al comparar estudios utilizando diferentes modalidades. Como era de esperar, la condición del ergometer presentaba el entorno más fácil de estandarizar desde la perspectiva del operador. El ergometro funcionaba mejor en los ajustes de alta fricción. Los bloques (3 x 4 min) dentro de una modalidad mostraron un acuerdo bueno a excelente y moderado a excelente. Curiosamente, el ergometer tuvo un peor desempeño con el tiempo, posiblemente debido a la deriva del sensor. Por lo tanto, podría ser prudente recalibrar el ergometer entre cada bloque. Tenga en cuenta que estos resultados son para el ejercicio de estado estable de baja intensidad y podrían diferir para diferentes protocolos.

Los cambios mecánicos o ergonómicos menores en la combinación silla de ruedas-usuario pueden tener un gran impacto en los resultados experimentales12,51. El mantenimiento de materiales y la plena conciencia de los principios mecánicos del vehículo son esenciales para los resultados de rendimiento y la validez del experimento. La mecánica del vehículo (por ejemplo, masa, tamaños de rueda, tipo de neumático y presión, alineación) y ajuste (por ejemplo, posición de ante popa, centro de masa, masa, plano frontal) de la combinación de silla de ruedas y usuarios determinarán la rodadura y la resistencia al aire en combinación con las condiciones ambientales. La masa y la orientación del centro de masa afectarán a la resistencia a la rodadura con respecto a las ruedas traseras más grandes y las ruedas de ricino más pequeñas en la parte delantera. En la Tabla 2se presenta un resumen de los factores que influyen en la fricción de larodadura. Además, la silla de ruedas a menudo se individualiza. Aparte de las condiciones de intervención (por ejemplo, mecánica del vehículo o interfaz) en cada prueba, las condiciones de la silla de ruedas también deben ser constantes y se debe comprobar la mecánica de su vehículo, incluido el bastidor, el asiento y los neumáticos. Los neumáticos deben estar a una presión fija sobre las pruebas y entre los individuos. Los puntos de control importantes52 son posibles puntos de fricción, la posición de la rueda trasera y posibles cambios en la alineación de las ruedas36,53,54,55.

Las pruebas sobre el terreno también requieren tecnología de ambulante para cada uno de los indicadores de tensión cardiopulmonar, cinemática o resultados cinéticos. Esto se puede cumplir, pero la practicidad de las mediciones complejas está limitada en un entorno que no es de investigación. Las pruebas de reducción de costa son específicas para la combinación individual de usuario de silla de ruedas y la superficie rodante. Sin embargo, son estáticos, por lo que es posible que no capturen todas las características de la combinación entre silla de ruedas y usuario56. Son especialmente sensibles a los cambios en el centro de masa, lo que podría explicar las pequeñas diferencias entre la prueba de costa abajo y la salida de potencia terrestre medida. Estas limitaciones también se encuentran en la prueba de arrastre y la calibración del ergometro, que también asumen una posición estática del usuario de la silla de ruedas.

La prueba de arrastre mide las fuerzas de resistencia de balanceo y arrastre interno de cada combinación individual silla de ruedas-usuario. Es claramente sensible a la mecánica del vehículo de la silla de ruedas, pero también la posición y la orientación de la carrocería del usuario. Un procedimiento estandarizado es esencial20,36, donde a una velocidad de correa constante, la combinación usuario-silla de ruedas se tira sobre la correa que se conecta a un transductor de fuerza calibrado unidimensional en el marco de la cinta de correr en una serie de ángulos de pendiente(Figura 2). Se requiere un adaptador de cinta de correr para células de carga que se pueda ajustar a la altura del eje central de la silla de ruedas. El uso del análisis de regresión lineal proporciona una estimación estática de la fuerza de arrastre media en la cinta de cinta de correr a cero inclinación para una combinación determinada de silla de ruedas-usuario, que proporciona la salida de potencia externa media con el producto de la velocidad de la correa y la fuerza de arrastre. La prueba de arrastre es robusta con respecto a pequeñas diferencias en la ejecución de la prueba por diferentes operadores (por ejemplo, la posición de la cuerda)37.

Aunque a veces se supone una prueba aparentemente simple, cada uno de los elementos de prueba de la prueba de arrastre requiere la comprensión de la teoría subyacente y el entrenamiento sobre todos los detalles de los procedimientos8. Al igual que la prueba de reducción de costa, esta prueba es especialmente sensible a los cambios en el centro de masa. Por otra parte, el comportamiento y la sensibilidad de los transductores de fuerza basados en medidores de tensión, su calibración consistente (es decir, la precisión de los pesos de calibración, secuencia de montaje)20,36,37, así como cualquiera de los procedimientos de la prueba de arrastre que son sensibles a los cambios en la velocidad o ángulo de inclinación de la cinta de correr todos tienen que ser considerados. Esto significa que la cinta de correr en sí necesita ser revisada y calibrada también37. La conciencia constante de tales fenómenos generadores de ruido debe ser rastreada y ejecutada en la experimentación diaria.

La precisión de las simulaciones basadas en la salida de potencia y sus resultados dependen totalmente de la estandarización, la práctica y la formación de quienes llevan a cabo los experimentos. La diversidad de cintas de correr, ergometros o cualquier otro dispositivo accionado por motor electrónico puede ser un problema, como lo muestra De Groot et al.51. A cambio de datos basados en la población, uno debe ser consciente del papel potencial de tales diferencias en los resultados de las pruebas. En cualquier experimento en silla de ruedas, se debe presentar una explicación adecuada de las condiciones de prueba y una presentación abierta de los valores reales de velocidad, resistencia y potencia de salida para cualquier subgrupo o condición de medición.

En la experimentación en silla de ruedas, la heterogeneidad de la muestra de prueba es difícil de escapar cuando se centra en los usuarios reales de sillas de ruedas. Entre ellos, las personas con una lesión de la médula espinal son más frecuentemente sujetas a investigación, porque tienden a tener una lesión estable de la médula espinal por el resto de sus vidas. El nivel de lesión, la integridad, el sexo, la edad, el talento y el estado de formación determinan la heterogeneidad de dichos grupos de estudio57. Aumentar el número de participantes a través de la colaboración multicéntrico es una forma importante de eludir esto y aumentar el poder de la experimentación57,incluso en las primeras etapas de la rehabilitación10. Es de esperar que este documento sea un trampolín para un amplio debate sobre la experiencia en sillas de ruedas en las comunidades de rehabilitación y deportes adaptativos que, con suerte, conduce a la colaboración internacional y al intercambio de conocimientos a través de las redes existentes y nuevas de investigadores. La disponibilidad de una infraestructura de pruebas adecuada permite un seguimiento y una evaluación coherentes del progreso en rehabilitación clínica, deportes adaptativos y más allá.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

La preparación de este manuscrito fue apoyada financieramente por una subvención de Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) y fue cofinanciada por la asignación PPP de los principales consorcios para el conocimiento y la innovación del Ministerio de Asuntos Económicos.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
'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

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