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Medicine

在常规手部轮椅推进过程中确定和控制外部功率输出

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

对外部功率输出进行准确和标准化的评估对于评估手动轮椅推进的生理、生物力学和感知应力、应变和容量至关重要。本文介绍了在实验室内外轮椅推进研究期间，各种方法测定和控制功率输出。

Abstract

使用手动轮椅对世界人口的 1% 至关重要。人动力轮式移动性研究已相当成熟，这导致在过去几十年中改进了研究技术。增进对轮椅移动性能、监测、训练、技能获取以及轮椅用户界面在康复、日常生活和运动中的优化的理解，进一步标准化测量设置和分析是必需的。一个关键的踏脚石是精确测量和标准化外部功率输出（以瓦特为单位），这是解释和比较旨在改善康复实践、日常生活活动的实验的关键。和适应性运动。详细介绍了地面、跑步机和基于测能仪测试中精确功率输出测定的不同方法和优点。地面推进为测试提供了最外在有效的模式，但标准化可能会带来麻烦。跑步机推进在机械上类似于地面推进，但转向和加速是不可能的。测速仪是限制最紧缺的，标准化相对容易。其目的是促进良好的实践和标准化，以促进理论的进一步发展及其在世界各地的研究设施和应用临床和体育科学之间。

Introduction

据估计，目前世界人口的1%依赖轮式移动，国际研究工作日益进入国际同行评审期刊，涉及康复1、3、工程4、体育科学5、6等不同领域。这导致越来越多的知识库和理解这种人类共同模式的复杂性。然而，为了在康复和适应性运动实践中不断发展和实施，有必要在研究方面进一步进行国际交流与合作。这种协作网络的组成部分是改进实验和测量程序和技术的标准化。此外，在实验室和/或现场持续实施对轮椅使用者组合表现的准确监测，对于最佳的个人功能和参与非常重要，同时在个人的寿命7、8、9期间保持健康和积极的生活方式。

实验上，手动轮椅推进在稳态或高峰运动条件下10、11经常被作为周期性上半身运动，以检查轮椅用户界面12、13、肌肉骨骼加载14、15、16和运动学习和技能获取17、18。循环运动的生物力学和生理概念相结合，允许使用"力量平衡"，这是范因根·舍诺19最初为速度滑冰和自行车引入的建模方法，后来引入手动轮动8、20、21。图 1显示了手动轮椅推进的动力平衡图。它从轮椅用户组合及其三个中心组件（轮椅、用户及其界面）的一系列关键性能决定因素，融合到左侧（生物）机械和生理功率分母和方程的布局中。

功率输出是运动和日常生活环境中的一个重要结果参数，其中峰值功率输出可以代表适应运动性能的提高，或在日常生活22的活动中易于发挥。此外，结合能源消耗，它可以用来评估性能的总机械效率17，18，23（即，一个更熟练的个人将需要较少的内部能量，以产生相同量的外部功率输出）。从实验的角度来看，功率输出是一个在测试过程中需要严格控制的参数，因为功率输出的变化直接影响到所有性能结果，如推时、恢复时间24和机械效率25。因此，控制和报告功率输出对于与手动轮椅推进相关的所有研究都至关重要。

地面测试是有效性（即惯性、空气摩擦、光流和动态运动）的黄金标准26，但外部功率输出、速度和相关环境条件的标准化要困难得多，而且随着时间的推移，重复性会受到影响。地面轮椅相关研究始于20世纪60年代的27，28，主要研究轮式机动性的物理压力。尽管对数据解释和理解8，20至关重要，但外部功率输出的概念仅限于观察在不同表面上执行不同活动时的内部代谢成本。如今，测量轮可用于测量功率输出29、30和滑行试验31、32，以推断推进过程中的摩擦损失，从而推断出功率输出。

不同的实验室技术被开发为轮椅专用运动测试33，从大量的测距仪到不同尺寸和品牌的跑步机。跑步机被认为是最接近地面测试的有效性34，并已用于轮椅运动测试35，36。在测试之前，必须定期检查跑步机的坡度和速度。即使是来自同一品牌的跑步机和制造可能有很大的不同，并改变他们的行为随着时间的推移37。为了确定外部功率输出，一个拖动测试20，36用于单个轮椅用户组合的总滚动和内部阻力力38。拖动测试的力传感器也必须定期校准。为了在时间推轮的一定外部载荷和主体之间进行实验个性化，设计了一个滑轮系统（图2）作为先前坡度依赖梯度的替代方案。

标准化轮椅运动测试的另一种选择是使用固定式测速仪33，从简单的现成式测距仪解决方案39到高度专业化的计算机和仪器测速仪40。很少有商业版本可供使用。测速仪技术和机械特性的巨大多样性，在试验结果33中带来了巨大的未知变异度。测数和轮椅需要连接或固有的融合设计。空气摩擦不存在，感知的惯性仅限于车轮上的模拟惯性，以及推进过程中躯干、头部和手臂的运动，而轮椅使用者基本上是静止的。如果车轮可以充分阻塞，则测速仪确实允许冲刺或厌氧测试以及等轴测测试。

介绍了基于实验室的手动轮式移动研究的基本方法。此外，还简要介绍了基于实地的轮椅研究方法及其潜在成果。中心重点是在现场和实验室实验中控制和测量外部功率输出 （W）。还添加了通过测位法确定内部功率输出，因为这通常用于确定总机械效率。除了实施良好做法外，目标是就试验标准化和国际信息交流展开讨论。目前的研究将主要讨论手部轮椅推进及其测量，因为它是科学文献中最突出的手动轮式移动形式。然而，下面讨论的概念对其他轮椅推进机制（例如，杠杆、曲柄41）同样有效。

当前协议描述了在1.11 m/s的稳态推进期间，在基于地面、跑步机和轮椅测速仪的测试期间功率输出的标准化和测量。例如，滚动摩擦将首先在地面测试中通过滑行测试确定。利用这种摩擦估计，功率输出将在跑步机和测速仪测试中使用研究文献中的可用协议进行设置。对于跑步机测试，摩擦将通过阻力测试确定，功率输出将使用滑轮系统进行调整。对于测速仪测试，使用计算机控制的测速仪将外部功率输出与地面测试相匹配。

Protocol

这项研究得到了格罗宁根大学医学中心当地伦理委员会（伦理委员会人类运动科学）的批准。所有参与者都签署了书面知情同意书。

1. 研究设计和设置

  1. 根据机构的道德委员会，指示参与者并获得知情同意。
  2. 通过使用"身体活动准备情况问卷"42、43进行基线评估，确定参与者的体力活动准备情况。
  3. 与医生一起进行住院筛查。
  4. 决定所有参与者的固定功率输出（例如，10–20 W，1.11 m/s），相对功率输出（例如，0.25 W/kg 体重，1.11 m/s），或基于感兴趣表面的"现实"单个功率输出（基于下岸测试）。
  5. 在测试之前，让学员熟悉地面、跑步机和测速仪条件。
  6. 每次测量前检查轮胎压力和整体轮椅机械，必要时将轮胎充气到 600 kPa。
    注：要获得有效的心肺上身工作稳定状态结果和总机械效率（ME），应坚持至少3分钟每个亚量（高达70%的峰值运动能力）运动块，以达到呼吸交换比低于144，45的稳态运动。特别是在手部推进中，轮椅速度必须保持在舒适或可行的范围内（0.56±2.0 m/s），以排除电机控制问题46、47、48，这意味着功率增量最好由阻力增量控制。

2. 地面测试期间的外部功率输出

  1. 在感兴趣的表面上执行滑行测试。将参与者定位在活动位置并尽可能标准化：脚垫上的脚、手放在腿上，并直视前方（位置应反映推进过程中的位置）。
    注： 每个运动都会改变质量中心，从而改变滚动阻力。
  2. 将轮椅加速到高速。
    注： 参与者也可以这样做。
  3. 让轮椅减速到完全静止，不受干扰。
  4. 记录减速期间的时间和速度数据（例如，使用测量轮或惯性测量单元）。请参阅第 2.4.1 和 2.4.2 节。
    1. 使用测量轮记录数据。
      1. 用测量轮和惯性虚拟（材料表）替换轮椅的轮子，最好在参与者不在轮椅上时。
        注： 此示例适用于 OptiPush 车轮。其他车轮可能有不同的校准要求。
      2. 使用开/关开关打开测量轮。
      3. 使用 USB 蓝牙接收器和相关软件打开笔记本电脑。
      4. 打开计算机上的软件。
      5. 通过选择正确的通信端口 （COM） 将车轮与软件连接。如果列表中未显示正确的 COM 端口，请按刷新以更新列表，然后重试。按下一步。
      6. 在"客户端设置"屏幕上填写必填字段。按下一步。
        注意：特别注意车轮尺寸和轮侧设置。
      7. 通过在车轮设置中按"开始"来收集偏移数据，然后缓慢旋转车轮，而不接触手圈，直到红色圆圈变为绿色。或者，如果自上次安装车轮以来已执行该过程，请按"跳过"跳过此步骤。按下一步。
      8. 要收集数据，请按"数据收集"屏幕中的"记录"。从这里恢复常规的海岸关闭协议。
        注：用于分析测量轮数据的脚本可在补充材料 1中找到。
    2. 使用惯性测量单位 （ImUS） 记录数据。
      1. 将 IIM （材料表） 连接到轮椅上：每个轮毂上一个，座椅下方中心一个。记下哪些 IMU 附加到何处和以何种方向供以后参考。
      2. 打开 IMU 并使用 NGIMU 同步网络管理器可执行文件将 IMU 连接到计算机。
      3. 要收集数据，请转到"工具"，然后选择"数据记录器"，然后按"开始"。从这里恢复常规的海岸关闭协议。
        注：用于分析IMU数据的脚本可在补充材料2中查阅。
  5. 重复下岸过程（2.1-2.4），并收集前后数据，以减少不平整表面的影响。
  6. 打开计算机上的coast_down_test软件。按导入数据导入沿海数据文件（测量轮或 IMU）。使用右侧图形中的滑块并按"抓取选择"选择数据中的向下滑动部分。
  7. 在"设置"部分设置参与者和轮椅重量。按计算结果。记下平均滚动摩擦力 （N） 和滚动摩擦系数。按导出保存所有（元）数据以供以后参考。
    注：当由于空气阻力（即在大多数运动环境中）无法假定恒定摩擦时，分析会变得更加复杂。该协议是相同的，但初始速度可能更高。在这种情况下，非线性微分方程需要求解，该方程需要与曲线拟合器（例如，Levenberg-Marquardt）49 拟合。



    在这个方程中是瞬时速度，是减速开始时的初始速度。反映速度相关摩擦，反映速度独立摩擦 （）。分析下岸测试的脚本在补充材料3中提供，而用于分析步骤 2.7 中使用的下岸测试的图形用户界面 （GUI） 可在补充材料 4中提供。

3. 跑步机测试期间的外部功率输出

  1. 跑步机表征
    1. 使用校准的转速计测量装载的跑步机的皮带速度，以确定需要使用何种跑步机设置（例如，对于 1.11 m/s，跑步机需要在显示屏上设置为 4.1 km/h，而不是 4.0 km/h）。
      注：或者，通过测量皮带长度和计数十次旋转来确定皮带速度，同时使用秒表/摄像机记录时间。
    2. 使用角度传感器测量跑步机角度。通过重复测量检查检查一致性，并通过按降序重复测量来检查是否滞后。
      注：每次测量时，如果跑步机的可靠性较低，则使用转速计检查跑步机速度，并在每次测量时使用角度传感器检查其角度。
  2. 拖动测试：校准
    1. 校准前至少 30 分钟打开拖动测试力传感器的电源。
    2. 垂直悬挂力传感器，并与自平平激光或角度传感器对齐。
    3. 设置拖动测试计算机并将力传感器与计算机连接。打开拖动测试计算机上的 ADA3 软件，然后按校准力传感器。
    4. 将已知（校准）重量（1-10 kg，以 1 kg 的增量）连接到传感器并注册数字值。
    5. 在 ADA3 软件中继续拟合线性回归方程，以确定施加的负载和测量电压之间的关系。
    6. 如果根均方误差 （RMSE） 超过 0.13 N37，请重复 （3.2.1-3.2.5）。
  3. 执行拖动测试
    1. 测量前至少 30 分钟打开电源。
    2. 设置拖动测试计算机并将力传感器与计算机连接。打开拖动测试计算机上的 ADA3 软件，然后按电源表测量值。
    3. 将轮椅使用者组合放在跑步机上。将参与者定位在活动位置并尽可能标准化：脚垫上的脚、手放在腿上，并直视前方（位置应反映推进过程中的位置）。指示学员在整个测试过程中保持相同的位置。
    4. 使用 ADA3 软件记录力，不连接绳索，测量称重传感器的偏移。按"确定"。
    5. 使用轻便绳索将轮椅连接到力传感器。确保称重传感器和绳索与轮椅的后轮轴水平对齐。
    6. 将皮带加速到所需的速度，在这种情况下为 1.11 m/s（显示屏为 4.1 km/h）。
    7. 增加跑步机的倾角，等到跑步机和轮椅使用者组合位置稳定，并记录力和角度。对 10 个越来越陡的角度重复上述步骤（以 0.5% 的增量表示 1.5-6%）。
    8. 单击"下一步"，使用 ADA3 软件使用角度和力拟合线性回归。计算跑步机零角度的力。
      注： 如果跑步机角度有偏移，则无法使用回归方程的截距。
    9. 如果线性回归线的 RMSE 超过 0.5 N37，重复拖动测试 （3.3.3-3.3.8）。
  4. 在跑步机上设置功率输出
    1. 计算所需的功率输出并确定测试速度。
      注： 对于当前协议，这等于步骤 2.7 中获得的结果。
    2. 通过从目标摩擦（从步骤 2.7）中减去阻力测试摩擦力（从步骤 3.3.8 起）来计算所需的滑轮重量。
    3. 将滑轮放在跑步机的前面或后面，并确保它居中。将滑轮连接到轮椅上，确保绳索水平。指示学员滑轮中的重量可能会移动轮椅。
    4. 使用已知低质量的篮子和护套将重量（通常在 0-1 kg 之间）连接到滑轮系统。如有必要，缓慢增加重量，直到达到所需的功率输出。
      注：或者，通过根据拖动测试的功率表更改跑步机的角度来更改功率输出。

4. 基于测数的测试期间的外部功率输出

  1. 在测量前至少 30 分钟打开测速仪。在计算机上启动关联的软件。
  2. 按参与者小部件，然后按添加....给参与者一个 ID 并输入参与者的体重。按"确定"。
  3. 按"设备"菜单上的轮椅图标。填写表格中的轮椅规格。按"确定"。
    注： 体重变量很重要，因为它会影响测速仪提供的模拟。
  4. 按协议小部件。通过选择"添加..."来创建自定义协议。选择"自定义协议"，然后按"下一步"。为协议指定适当的名称，然后按"创建"。
  5. 选择"阶段"，然后单击"添加阶段和阻力"。设置第 2 节中通过滑行测试获得的摩擦系数的电阻。将目标速度设置为 4 km/h，然后按"确定"（图 3）。
  6. 设置参与者屏幕。从屏幕上删除所有小部件。单击"添加小部件"并选择"轮椅方向"小部件并将其拖动到屏幕中（图 4）。
  7. 使用校准系统将轮椅对准滚轮上。使用四带系统固定轮椅。检查车轮是否未接触测速仪且正确对齐。
  8. 将参与者定位在活动位置并尽可能标准化：脚垫上的脚、手放在腿上，并直视前方（位置应反映推进过程中的位置）。指示学员在整个测试过程中保持相同的位置。
  9. 通过按下"设备"菜单中的十字光标按钮，使用相关软件校准测印仪，然后按"开始校准"。
    注：用于分析测数数据的脚本可在补充材料5中查阅。

5. 手缘轮椅推进期间功率输出的内部估计

  1. 在进行任何校准或测试之前，请打开肺活量计至少 45 分钟。
  2. 使用相关软件根据工厂指南校准肺标，包括涡轮、参考气体、室内空气和延迟校准。
    注：每次测试前应进行室内空气和参考气体校准。
    1. 执行涡轮校准。
      1. 在校准菜单中按涡轮。将涡轮与光电读卡器连接到肺活量计。将具有已知体积的校准注射器连接到涡轮。
      2. 当装置准备就绪时，使用活塞执行六次受控和完整的冲程。按退出图标。
    2. 执行参考气体校准。
      1. 按校准菜单中的参考气体。将压力调节器连接到具有已知混合气体浓度的校准油缸。
        注： 油缸必须打开，但压力调节器必须关闭。
      2. 将采样线连接到肺仪的采样接头，断开另一端的连接。让肺活量计冲洗分析仪。确保采样线远离任何呼出的气体。
      3. 当由肺机提示时，将采样线的游空端连接到校准油缸上的压力调节器，然后打开调节器。校准结束后，使用"退出"图标退出。
    3. 执行房间空气校准。
      1. 将采样线连接到吸管仪上的采样接头，使另一端保持空闲。校准结束后，使用"退出"图标退出。
    4. 执行延迟校准。
      1. 将涡轮连接到光电读卡器并连接取样管。确保两者都连接到肺活量计。
      2. 将呼吸与声学信号同步。这可以由操作员执行。
        注：每次更换取样管时，都需要重复此过程。在将蒙版交给学员之前，请清洁或切换用于此过程的面罩。
      3. 校准结束后，使用"退出"图标退出。
  3. 将吸气器面罩放在参与者身上。调整头盖上的弹性带，在主体表面周围形成紧密的密封。
    注：可选地将心率监测器连接到肺活量计，让学员佩戴心率皮带。
  4. 固定肺活量计软管，使其不会干扰运动。
  5. 按测试，然后在肺活量表的显示屏上输入一个新主题。
  6. 对于次最大运动测试，请选择呼吸模式。要开始录制，请按肺活量表上的"记录"键。
    注：用于分析肺活量表数据的脚本可在补充材料6中查阅。

6. 测试程序

  1. 指示学员以所需速度（1.11 m/s）执行 4 分钟的稳态锻炼。
    1. 指示学员使用速度反馈以所需速度保持（平均）。
      注： 速度可以从测量轮或从各自的笔记本电脑在地面条件下显示。笔记本电脑有钩环带，允许固定在腿上。
    2. 指示参与者（平均）留在跑步机中心，以进行跑步机。
    3. 指示学员查看测距仪状态中测距仪屏幕上的速度和标题反馈，并将其（平均）保持在目标范围内。
  2. 同时启动秒表和肺活量计（步骤 5.6）。
    注：无需外部触发即可完成此操作，因为使用逐呼吸测距时，从按开始时的时差可以忽略不计。
  3. 30 小时后，启动轮椅推进。
    注意：对于跑步机和测速仪条件，这意味着启动跑步机或测速仪。当使用测量轮（步骤 2.4.1.8）或 ImUS（步骤 2.4.2.3）时，也启动这些车轮。
    1. 在地面条件下使用圈按钮标记履带的角。
  4. 在测试期间再进行 4 分钟后，无需事先通知，指示参与者停止推轮椅。
    注：在跑步机条件下，在皮带停止之前需要额外推一些。

Representative Results

使用上述程序，为17名熟悉（两个30分钟练习）的健全参与者确定功率输出，进行地面前后滑行测试（平均5次试验）。滑行轮廓的特点是在平坦的医院走廊上有一个测量轮。之后，在地面（25.0 x 9.0米电路）、跑步机（2.0 x 1.2米）和测速仪轮椅推进期间对参与者进行了测量。使用本文所述的协议，跑步机和测速仪模式的功率输出与地面条件相匹配。

在轮椅推进的三块4分钟，经过一个相等长度的熟悉块后，从同一测量轮获得功率输出。每个块的最后一分钟才用于分析，假设稳态推进。对于地面推进数据，只使用长直道（25米）。所有数据（预）处理都在 Python 3.7（Python 软件基础）中执行。ICC 估计及其 95% 置信区间在 R 3.3.4 （R 核心团队）中计算，使用单评级、绝对协议、随机效应模型。

轮椅使用者系统的平均总重量为92.6千克（±8.3）。下海测试的平均预期功率输出为 9.7 W （± 1.6）。从测量轮计算的功率输出较低，适用于地面 8.1 W （± 1.4）、跑步机 7.8 W （± 1.9）和测速仪 8.7 W （± 2.2） 轮椅推进。目标功率输出与测得功率输出之间的平均差分别为-1.6 （± 1.6）、-1.8 （± 1.4）、-1.0 （± 1.0） W（地面、跑步机和测速仪推进）。这些结果也显示在表1，图5和图6。

地面推进的功率输出与目标输出呈差到中度（ICC： 0.38，CI： 0.00-0.73）协议。相比之下，跑步机推进显示差到好 （ICC： 0.45， CI： 0.00-0.79） 协议和测速计推进显示差到优秀 （ICC： 0.77， CI： 0.11-0.93） 协议.绝对误差与测速仪上推进功率输出呈负相关（r = -0.55，p = 0.02），但不适用于其他两个条件（地面：r = 0.47，p = 0.06;跑步机：r = 0.22，p = 0.40）。

条件之间的协议是差到中度的（ICC： 0.49， CI： 0.20-0.74）。在模态内（三个 4 分钟块之间）的可靠性是良好到优秀的地面（ICC： 0.91， CI： 0.82-0.97） 和跑步机 （ICC： 0.97， CI： 0.93-0.99） 和中优的对优的转向力（ICC： 0.97， CI： 0.71-0.99）。随着时间的推移，测速仪似乎表现更差，这被反复测量的ANOVA（F（2，32）= 64.7，p <0.01确认，但是对地面（F（2，32）= 0.9，p = 0.418）和跑步机（F（2，32）= 0.9，p = 0.402）推进没有时间影响。

Figure 1
图1：动力平衡应用于手动轮椅推进。P 输出：外部功率输出 （W）;ME：机械效率毛额（%）;F：表示抵抗力;五：平均滑行速度;A： 每推或按周期工作（J）;f r： 推推或循环频率 （1/s）;Pint： 内部损失 （W）;P空气：空气动力学电阻（W）;P辊：滚动摩擦（W）;P包括：由于倾斜 （W） 造成的损失。这个数字是从范德沃德等人20日转载的。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2：跑步机设置。左图：滑轮设置，以增加在推进过程中跑步机的外部功率输出。右图：拖动测试设置，以测量跑步机轮椅推进过程中的摩擦力。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3：轮椅测速仪的礼宾设置窗口。可以通过选择功率输出和目标速度或滚动摩擦和目标速度来设置功率输出。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4：以线条图形式对轮椅测速仪的反馈。绘制左右滚轮速度。参与者应尽量保持一个稳定的速度，而走直线（保持屏幕上的线水平）。速度数据通过可在设置中更改的滑动窗口进行平滑处理。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5：在地面（OG）、跑步机（TM）和测速仪（WE）轮椅推进过程中，滑行摩擦和测量功率输出之间的相对和绝对差分布。胡须显示1.5倍的四分位数范围。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
图6：在地面（左）、跑步机（中）和测速仪（右）轮椅推进期间，用于滑行摩擦和测量功率输出的Bland-Altman图。深灰色虚线表示组合的池均值，红色虚线为平均值 = 1.96 标准差。请点击此处查看此图的较大版本。

值双面 （W）2 与目标的差异 与目标的差异（%） 与目标的差异（abs） 与目标采购订单 （ICC）的协议 3 块之间的可靠性 （ICC）3
目标采购订单1 9.68 （± 1.57） n.a n.a n.a. n.a n.a.
地上采购订单 8.12 （± 1.41） -1.56 （± 1.57） -15.30 （± 13.70） 1.72 （± 1.57） 0.38 （0.00±0.73）* 0.91 （0.82±0.97）*
跑步机 PO 7.84 （± 1.92） -1.84 （± 1.38） -18.98 （± 13.42） 1.91 （± 1.16） 0.45 （0.00±0.79）* 0.97 （0.93±0.99）*
测速器 PO 8.65 （± 2.24） -1.02 （± 0.97） -11.82 （± 11.94） 1.16 （± 0.78） 0.77 （0.11±0.93）* 0.97 （0.71±0.99）*
1. 从海岸向下摩擦计算。2. 使用测量轮确定。3. 双向，绝对协议，固定利率与95%置信区间。• p < 0.001。

表1：使用测量轮测量的设定功率输出和实际功率输出的比较。

因素 滚动电阻
身体质量 | •
轮椅质量 | •
轮胎压力 | •
车轮尺寸 | |
硬度地板 | •
琥珀角 | ?
脚趾/出 | ·|
脚轮阴影 | •
后轮的质量中心 |
折叠框架 •
维护 | •

表2：在手动轮椅推进过程中影响滚动摩擦和功率输出的因素。这张表是范德沃德等人8日转载的。

补充材料 1.请点击此处查看此文件（右键单击下载）。

补充材料2.请点击此处查看此文件（右键单击下载）。

补充材料 3.请点击此处查看此文件（右键单击下载）。

补充材料 4.请点击此处查看此文件（右键单击下载）。

补充材料 5.请点击此处查看此文件（右键单击下载）。

补充材料 6.请点击此处查看此文件（右键单击下载）。

Discussion

在前几节中，提出了确定不同实验室模式的电力输出并标准化的可访问方法。此外，还比较了稳态推进过程中设定的功率输出和测得的功率输出。虽然存在系统误差以及一些可变性，但所提供的工具优于替代方法：根本不标准化。这些结果与另一项研究类似，该研究报告测量功率输出并设置功率输出50。此外，条件之间的一致是差到中度的，这表明在比较使用不同模式的研究时应格外注意。正如所料，从操作员的角度来看，测距仪条件提供了最容易标准化的环境。在高摩擦环境下，测速仪表现更好。一个模式内的块（3 x 4 分钟）表现出良好到优优和中到优的一致。有趣的是，随着时间的推移，测速仪的表现更差，这可能是由于传感器漂移。因此，最好重新校准每个模块之间的测数。请注意，这些结果适用于低强度稳态练习，并且可能因不同的协议而异。

轮椅使用者组合的机械或人体工程学小的变化会对实验结果产生很大影响12，51。材料维护和充分了解车辆机械原理对于性能结果和实验的有效性至关重要。轮椅使用者组合的车辆机械（例如，质量、车轮尺寸、轮胎类型、轮胎类型和压力、对齐）和配合（例如，前-后位置、质量中心、质量、正面平面）将结合环境条件确定滚动和空气阻力。质量和质量中心的方向将影响相对于较大的后轮和前面的较小脚轮滚动阻力。表2概述了影响滚动摩擦的因素。此外，轮椅通常是个性化的。除了每次测试的干预条件（例如车辆机械或界面）外，轮椅状况也必须保持不变，并且应检查其车辆机械，包括车架、座椅和轮胎。轮胎需要在测试和个人之间的固定压力。重要检查点52是可能的摩擦点、后轮位置以及车轮定位36、53、54、55中的潜在变化。

地面测试还需要针对心肺应变、运动学或动力学结果的每个指标提供运动技术。这一点可以得到满足，但在非研究环境中，复杂测量的实用性是有限的。滑降测试是针对单个轮椅使用者组合和滚动表面的。然而，它们是静态的，因此它们可能无法捕获轮椅用户组合的所有特征56。它们对质量中心的变化特别敏感，这或许可以解释海岸下降试验和测量的地面功率输出之间的细微差异。这些限制也存在于阻力测试和测速仪校准中，后者也承担了轮椅使用者的静态位置。

拖动测试测量每个轮椅使用者组合的滚动阻力和内部阻力。它显然对轮椅的车辆机械，但也对使用者的位置和身体方向敏感。标准化程序至关重要，在恒定的皮带速度下，用户-轮椅组合被拉过皮带，以一系列斜角连接到跑步机框架上的单维校准力传感器（图2）。需要一个用于称重传感器的跑步机适配器，可调节到轮椅中心轴的高度。使用线性回归分析，为给定的轮椅用户组合提供以零倾角对跑步机皮带的平均阻力的静态估计值，该组合提供带速度和阻力的均值外部功率输出。对于不同操作员执行测试的微小差异（例如绳索的位置）37，拖动测试是可靠的。

虽然有时假设一个看似简单的测试，但拖动测试的每个测试元素都需要了解基本理论和对程序8的所有细节进行培训。与下岸测试类似，此测试对质量中心的变化特别敏感。此外，必须考虑基于应变片的力传感器的行为和灵敏度、其一致的校准（即校准重量的精度、安装顺序）20、36、37，以及对跑步机速度或倾角变化敏感的拖动测试的任何程序。这意味着跑步机本身需要检查和校准以及37。在日常实验中，必须跟踪和执行对此类产生噪声现象的一致认识。

基于功率输出的仿真及其结果的精确性完全依赖于对进行实验的人员的标准化、实践和培训。跑步机、测数仪或任何其他电子电机驱动装置的多样性可能是个问题，如De Groot等人51所示。在交换基于人口的数据时，人们应当意识到这种差异对测试结果的潜在作用。在任何轮椅实验中，对于任何子组或测量条件，都应对测试条件进行适当的解释，并公开显示速度、电阻和功率输出的实际值。

在轮椅实验中，当聚焦于实际的轮椅使用者时，测试样本的异质性是很难逃避的。其中，脊髓损伤者最常受到研究，因为他们在余生中往往有稳定的脊髓病变。病变水平、完整性、性别、年龄、人才和培训状况决定了这些研究组的异质性57。通过多中心协作增加参与者数量是规避这种情况和增加实验能力的重要途径，即使在康复的早期阶段10。本文有望成为关于康复和适应性运动社区轮椅试验的广泛讨论的垫脚石，希望通过现有的和新的研究人员网络，促进国际合作和知识交流。充足的测试基础设施允许持续监测和评估临床康复、适应性运动等进展。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

本手稿的编写由萨梅恩格金斯弗弗和诺德-内德兰（OPSNN0109）赠款提供财政支助，并由经济部知识和创新顶级财团的PPP补贴共同资助。

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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医学， 问题 156， 轮椅， 推进技术， 运动技能， 效率， 人体工学， 运动学， 生物力学现象
在常规手部轮椅推进过程中确定和控制外部功率输出
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de Klerk, R., Vegter, R. J. K., Leving, M. T., de Groot, S., Veeger, D. H. E. J., van der Woude, L. H. V. Determining and Controlling External Power Output During Regular Handrim Wheelchair Propulsion. J. Vis. Exp. (156), e60492, doi:10.3791/60492 (2020).

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