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Détermination et contrôle de la puissance externe pendant la propulsion régulière en fauteuil roulant 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

L'évaluation précise et normalisée de la puissance extérieure est cruciale dans l'évaluation du stress physiologique, biomécanique et perçu, de la tension et de la capacité dans la propulsion manuelle en fauteuil roulant. L'article actuel présente diverses méthodes pour déterminer et contrôler la puissance de sortie pendant les études de propulsion en fauteuil roulant en laboratoire et au-delà.

Abstract

L'utilisation d'un fauteuil roulant manuel est essentielle pour 1 % de la population mondiale. La recherche sur la mobilité à roues à propulsion humaine a considérablement mûri, ce qui a permis d'améliorer les techniques de recherche au cours des dernières décennies. Pour mieux comprendre la performance de la mobilité à roues, le suivi, la formation, l'acquisition de compétences et l'optimisation de l'interface fauteuil roulant-utilisateur dans les secteurs de la réadaptation, de la vie quotidienne et du sport, une nouvelle normalisation des configurations de mesure et des analyses sont nécessaires. Un tremplin crucial est la mesure et la normalisation précises de la puissance extérieure (mesurée en Watts), qui est essentielle pour l'interprétation et la comparaison des expériences visant à améliorer la pratique de réadaptation, les activités de la vie quotidienne, et les sports adaptatifs. Les différentes méthodologies et avantages de la détermination précise de la puissance pendant les essais sur le terrain, le tapis roulant et l'ergomètre sont présentés et discutés en détail. La propulsion au sol fournit le mode de test le plus valide à l'extérieur, mais la normalisation peut être gênante. La propulsion sur tapis roulant est mécaniquement similaire à la propulsion au sol, mais le tournage et l'accélération ne sont pas possibles. Un ergomètre est le plus contraint et la normalisation est relativement facile. L'objectif est de stimuler les bonnes pratiques et la normalisation afin de faciliter le développement ultérieur de la théorie et de son application parmi les installations de recherche et les sciences cliniques et sportives appliquées dans le monde entier.

Introduction

Avec environ 1% de la population mondiale dépendante de la mobilité à roues aujourd'hui1,2, un flux constant de travaux de recherche internationale émerge de plus en plus dans les revues internationales évaluées par les pairs dans divers domaines tels que la réhabilitation1,3, l'ingénierie4, et les sciences du sport5,6. Cela conduit à une base de connaissances et à une compréhension croissante des complexités de ce mode commun de déambulation humaine. Pourtant, pour le développement et la mise en œuvre continus des pratiques de réadaptation et de sport adaptatif, il est nécessaire d'échanger et de collaborer davantage à l'échelle internationale dans le domaines de la recherche. L'amélioration de la normalisation des procédures et de la technologie expérimentales et de mesure fait partie intégrante de ces réseaux collaboratifs. En outre, la mise en œuvre cohérente d'une surveillance précise de la performance de la combinaison fauteuil roulant-utilisateur en laboratoire et/ou sur le terrain est importante pour un fonctionnement et une participation individuels optimaux tandis qu'un mode de vie sain et actif est maintenu au cours de la durée de vie de l'individu7,8,9.

Expérimentalement, la propulsion manuelle de fauteuil roulant pendant des conditions d'exercice stables ou de pointe10,11 est souvent approchée comme mouvement cyclique de corps supérieur aux fins d'examiner l'interface fauteuil roulant-utilisateur12,13, charge musculo-squelettique14,15,16, et l'apprentissage moteur et l'acquisition de compétences17,18. Les notions biomécaniques et physiologiques combinées des mouvements cycliques permettent l'utilisation de l'« équilibre de puissance », une approche de modélisation qui a été initialement introduite par Van Ingen Schenau19 pour le patinage de vitesse et le cyclisme, et plus tard introduite dans la mobilité manuelle à roues8,20,21. La figure 1 montre un diagramme d'équilibre de puissance pour la propulsion manuelle en fauteuil roulant. Il converge à partir d'une sélection de facteurs déterminants de la performance critique pour la combinaison fauteuil roulant-utilisateur et ses trois composants centraux (le fauteuil roulant, l'utilisateur et leur interface), à gauche dans la disposition des dénominateurs et équations (bio)mécaniques et physiologiques de puissance.

La puissance de sortie est un paramètre de résultat important dans les contextes du sport et de la vie quotidienne où la puissance maximale peut représenter à la fois une performance accrue dans les sports adaptés ou la facilité de fonctionnement lors d'activités dans la vie quotidienne22. En outre, en combinaison avec la consommation d'énergie, il peut être utilisé pour évaluer la performance en termes d'efficacité mécanique brute17,18,23 (c.-à-d., où une personne plus qualifiée aurait besoin de moins d'énergie interne pour produire la même quantité de production d'énergie externe). D'un point de vue expérimental, la puissance de sortie est un paramètre qui doit être étroitement contrôlé lors d'un test, parce que les changements dans la puissance de sortie sont d'influence directe sur tous les résultats de performance tels que le temps de poussée, le temps de récupération24, et l'efficacité mécanique25. Par conséquent, le contrôle et la production de puissance de déclaration sont essentiels pour toutes les études liées à la propulsion manuelle en fauteuil roulant.

Les essais au sol sont l'étalon-or en termes de validité (c.-à-d. inertie, frottement de l'air, flux optique et mouvement dynamique)26, mais la normalisation de la puissance externe, de la vitesse et des conditions environnementales associées est beaucoup plus difficile, et la répétabilité au fil du temps en souffre. Les études en surface liées aux fauteuils roulants ont commencé dans les années 196027,28 et ont porté sur la tension physique de la mobilité à roues. Bien que cruciales dans l'interprétation et la compréhension des données8,20, les notions sur la production d'énergie externe ont été limitées à l'observation du coût métabolique interne lors de l'exécution de différentes activités sur différentes surfaces. De nos jours, les roues de mesure peuvent être utilisées pour mesurer la puissance de sortie29,30 et les essais de descente31,32 peuvent être effectuées pour déduire les pertes de frottement pendant la propulsion et donc la puissance de sortie.

Différentes technologies en laboratoire ont été développées pour l'essai d'exercice spécifique aux fauteuils roulants33, allant d'une multitude d'ergomètres à des tailles différentes et des marques de tapis roulants. Les tapis roulants sont considérés comme les plus proches des tests en surface en termes de validité34 et ont été utilisés depuis les années 1960 pour l'essai d'exercice en fauteuil roulant35,36. Avant les essais, la pente et la vitesse du tapis roulant doivent être vérifiées régulièrement. Même les tapis roulants de la même marque et faire peut différer considérablement et changer leur comportement au fil du temps37. Pour la détermination de la puissance externe, un essai de traînée20,36 est utilisé pour le total de la combinaison individuelle fauteuil roulant-utilisateur de roulement et de force de traînée interne38. Le capteur de force pour le test de traînée doit également être périodiquement calibré. Pour l'individualisation expérimentale du protocole en termes de charge externe globale de roues au fil du temps et entre les sujets, un système de poulies (figure 2) a été conçu comme une alternative pour les gradients dépendants de la pente précédente de chargement36.

Une autre alternative pour l'essai standardisé d'exercice de fauteuil roulant a été l'utilisation des ergomètres stationnaires33,des solutions simples d'ergomètre hors étagère39 aux ergomètres informatisés et instrumentés fortement spécialisés40. Très peu sont disponibles dans le commerce. L'énorme diversité de la technologie de l'ergomètre et des caractéristiques mécaniques introduit de grands degrés inconnus de variabilité parmi les résultats des essais33. Les ergomètres et les fauteuils roulants doivent être reliés ou intrinsèquement fusionnés par la conception. Le frottement de l'air n'est pas présent et l'inertie perçue se limite à l'inertie simulée sur les roues, et le mouvement expérimenté dans le tronc, la tête et les bras pendant la propulsion, tandis que l'utilisateur de fauteuil roulant est essentiellement stationnaire. L'ergomètre permet des essais de sprint ou anaérobie ainsi que des essais isométriques, si les roues peuvent être correctement bloquées.

Une méthodologie de base pour la recherche manuelle sur la mobilité à roues dans le milieu des études en laboratoire est présentée. De plus, un bref aperçu de la méthodologie de recherche sur le terrain sur les fauteuils roulants et de ses résultats potentiels est fourni. L'objectif central est de contrôler et de mesurer la puissance externe (W) dans les expériences sur le terrain et en laboratoire. La détermination de la puissance interne par spirométrie est également ajoutée, car cela est souvent utilisé pour déterminer l'efficacité mécanique brute. Outre la mise en œuvre de bonnes pratiques, l'objectif est de produire des discussions sur la normalisation expérimentale et l'échange international d'informations. La présente étude portera principalement sur la propulsion en fauteuil roulant à la main et la mesure de celui-ci parce qu'il s'agit de la forme la plus importante de mobilité à roues manuelles dans la littérature scientifique. Cependant, les notions discutées ci-dessous sont également valables pour d'autres mécanismes de propulsion en fauteuil roulant (p. ex., leviers, manivelles41).

Le protocole actuel décrit la normalisation et la mesure de la puissance de sortie pendant les essais sur terre, tapis roulant et ergomètre en fauteuil roulant pendant la propulsion à l'état régulier à 1,11 m/s. Par exemple, le frottement de roulement sera d'abord déterminé lors d'essais au sol avec un essai de descente. À l'aide de cette estimation de la friction, les sorties de puissance seront installées dans le tapis roulant et les tests d'ergomètre à l'aide des protocoles disponibles de la littérature de recherche. Pour les essais sur tapis roulant, le frottement sera déterminé à l'aide d'un essai de traînée, et la puissance sera ajustée à l'aide d'un système de poulies. Pour les tests d'ergomètre, un ergomètre contrôlé par ordinateur est utilisé pour faire correspondre la puissance externe avec le test au sol.

Protocol

Cette étude a été approuvée par le comité d'éthique local (Comité d'éthique des sciences du mouvement humain) au Centre médical universitaire de Groninen. Tous les participants ont signé un consentement éclairé écrit.

1. Étudier la conception et la configuration

  1. Instruire le participant et obtenir un consentement éclairé conformément au Comité d'éthique de l'institution.
  2. Déterminer l'état de préparation à l'activité physique des participants en effectuant une évaluation de référence à l'égard du Questionnaire de préparation à l'activité physique42,43.
  3. Effectuer un dépistage à l'hôpital avec un médecin.
  4. Décider d'une puissance fixe pour tous les participants (p. ex., 10 à 20 W à 1,11 m/s), d'une puissance relative (p. ex., 0,25 W/kg de poids corporel à 1,11 m/s) ou d'une puissance individuelle « réaliste » basée sur une surface d'intérêt (basée sur un essai de la côte).
  5. Permettez au participant de se familiariser avec les conditions de surface, de tapis roulant et d'ergomètre avant les essais.
  6. Vérifiez la pression des pneus et la mécanique globale des fauteuils roulants avant chaque mesure et gonflez les pneus à 600 kPa si nécessaire.
    REMARQUE : Pour obtenir des résultats valides à l'état stable pour le travail cardio-pulmonaire du haut du corps et l'efficacité mécanique brute (ME), on devrait adhérer à une durée minimale de 3 min par sous-maximal (jusqu'à 70% de capacité d'exercice de pointe) bloc d'exercice pour réaliser l'exercice stable-état avec un rapport d'échange respiratoire au-dessous de 144,45. En particulier dans la propulsion à la main, la vitesse du fauteuil roulant doit rester dans une plage confortable ou faisable (0,56 à 2,0 m/s) pour exclure les problèmes de contrôle moteur46,47,48, ce qui signifie que les incréments de puissance sont de préférence contrôlés par incréments en résistance.

2. Sortie d'énergie externe pendant les essais en surface

  1. Effectuez l'essai de côte en bas sur la surface d'intérêt. Placez le participant dans une position active et aussi normalisée que possible : pieds sur le repose-pieds, mains sur les genoux et regardant droit devant (la position doit refléter la position pendant la propulsion).
    REMARQUE : Chaque mouvement change le centre de masse, ce qui modifie la résistance au roulement.
  2. Accélérez le fauteuil roulant à une vitesse élevée.
    REMARQUE: Cela peut également être fait par le participant.
  3. Laissez le fauteuil roulant décélérer à un arrêt complet sans interférence.
  4. Enregistrez les données sur le temps et la vitesse pendant la décélération (p. ex., avec des roues de mesure ou des unités de mesure inertielles). Voir les sections 2.4.1 et 2.4.2.
    1. Enregistrez les données à l'aide de roues de mesure.
      1. Remplacer les roues du fauteuil roulant par une roue de mesure et le mannequin inertiel (Table of Materials), de préférence alors que le participant n'est pas dans le fauteuil roulant.
        REMARQUE : Cet exemple est pour la roue OptiPush. D'autres roues peuvent avoir des exigences d'étalonnage différentes.
      2. Allumez la roue de mesure à l'aide de l'interrupteur d'allumage/arrêt.
      3. Allumez l'ordinateur portable avec le récepteur Bluetooth USB et le logiciel associé.
      4. Ouvrez le logiciel sur l'ordinateur.
      5. Connectez la roue avec le logiciel en sélectionnant le port de communication correct (COM). Si le port COM correct n'apparaît pas dans la liste, appuyez sur Rafraîchir pour mettre à jour la liste et réessayer. Appuyez sur Suivant.
      6. Remplissez les champs requis sur l'écran de configuration client. Appuyez sur Suivant.
        REMARQUE : Portez une attention particulière aux réglages de la taille de la roue et du côté de la roue.
      7. Rassemblez des données de compensation en appuyant sur Démarrer dans la configuration de la roue et en faisant tourner lentement la roue sans toucher la main jusqu'à ce que le cercle rouge passe au vert. Sinon, appuyez sur Skip pour sauter cette étape si la procédure a déjà été effectuée depuis la dernière installation de roue. Appuyez sur Suivant.
      8. Pour collecter des données appuyez sur Enregistrement dans l'écran de collecte de données. Reprenez le protocole régulier de descente à partir de maintenant.
        REMARQUE : Les scripts pour l'analyse des données de roue de mesure sont disponibles dans le matériel supplémentaire 1.
    2. Enregistrez les données à l'aide d'unités de mesure inertielles (UIM).
      1. Fixez les UIM (Tableau des Matériaux) au fauteuil roulant : un sur chaque moyeu de roue et un au centre sous le siège. Notez l'IMU qui est joint où et dans quelle orientation pour référence ultérieure.
      2. Activez les UIM et connectez les IMU à l'ordinateur à l'aide du gestionnaire de réseau synchronisé NGIMU exécutable.
      3. Pour collecter des données, rendez-vous sur Outils,puis sélectionnez Data Logger, et appuyez sur Démarrer. Reprenez le protocole régulier de descente à partir de maintenant.
        REMARQUE : Les scripts pour l'analyse des données de l'IMU sont disponibles dans le matériel supplémentaire 2.
  5. Répétez la procédure de descente (2.1-2.4) et collectez des données de va-et-vient pour réduire l'influence des surfaces inégales.
  6. Ouvrez le logiciel coast_down_test sur un ordinateur. Appuyez sur les données d'importation pour importer le fichier de données de descente (roue de mesure ou IMU). Sélectionnez les sections descendantes dans les données en utilisant le curseur dans le graphique sur la droite et en appuyant sur la sélection Grab.
  7. Définir le poids des participants et des fauteuils roulants dans la section Paramètres. Appuyez sur Calculer les résultats. Notez le frottement de roulement moyen (N) et le coefficient de frottement roulant. Appuyez sur Export pour enregistrer toutes les données (meta) pour une référence ultérieure.
    REMARQUE : Lorsque la friction constante ne peut pas être supposée en raison de la traînée d'air (c.-à-d. dans la plupart des environnements sportifs), l'analyse devient un peu plus complexe. Le protocole est identique, mais la vitesse initiale devrait probablement être plus élevée. Dans ce cas, une équation différentielle non linéaire doit être résolue et cette équation doit être adaptée à un ajustement de courbe (par exemple, Levenberg-Marquardt)49.



    Dans cette équation est la vitesse instantanée et est la vitesse initiale au début de la décélération. reflète la friction dépendante de la vitesse et reflète la frottement indépendant de la vitesse (). Les scripts pour l'analyse des tests de côte descendante sont disponibles dans le matériel supplémentaire 3 et l'interface utilisateur graphique (GUI) pour l'analyse des tests de descente utilisés à l'étape 2.7 est disponible dans le matériel supplémentaire 4.

3. Sortie d'énergie externe pendant l'essai de tapis roulant

  1. Caractérisation du tapis roulant
    1. Mesurer la vitesse de la courroie du tapis roulant chargé à l'arme à l'air un tachymètre calibré pour déterminer le réglage du tapis roulant à utiliser (p. ex., pour 1,11 m/s, le tapis roulant doit être réglé à 4,1 km/h sur l'écran au lieu de 4,0 km/h).
      REMARQUE : Vous pouvez également déterminer la vitesse de la ceinture en mesurant la longueur de la ceinture et en comptant dix rotations tout en enregistrant l'heure à l'utilisation d'un chronomètre/caméra vidéo.
    2. Mesurez les angles du tapis roulant à l'aide d'un capteur d'angle. Vérifiez la cohérence en répétant les mesures et vérifiez l'hystérèse en répétant les mesures dans l'ordre décroissant.
      REMARQUE : Vérifiez la vitesse du tapis roulant à l'abri d'un tachymètre et des angles avec un capteur d'angle lors de chaque mesure si leur fiabilité est faible.
  2. Test de drague : étalonnage
    1. Activez l'alimentation du capteur de force d'essai de traînée au moins 30 minutes avant l'étalonnage.
    2. Suspendre le transducteur de force verticalement et aligner avec un laser auto-nivellement ou un capteur d'angle.
    3. Configurez l'ordinateur de test de traînée et connectez le capteur de force avec l'ordinateur. Ouvrez le logiciel ADA3 sur l'ordinateur de test de traînée et appuyez sur Calibrate force sensor.
    4. Fixez les poids connus (calibrés) (1-10 kg avec des incréments de 1 kg) au capteur et enregistrez les valeurs numériques.
    5. Adaptez une équation de régression linéaire pour déterminer la relation entre la charge appliquée et la tension mesurée en continuant dans le logiciel ADA3.
    6. Répéter (3.2.1-3.2.5) si l'erreur root-mean-square (RMSE) dépasse 0.13 N37.
  3. Effectuer un test de traînée
    1. Allumez l'alimentation électrique au moins 30 minutes avant de mesurer.
    2. Configurez l'ordinateur de test de traînée et connectez le capteur de force avec l'ordinateur. Ouvrez le logiciel ADA3 sur l'ordinateur de test de traînée et appuyez sur les mesures de la table Power.
    3. Placez la combinaison fauteuil roulant-utilisateur sur le tapis roulant. Placez le participant dans une position active et aussi normalisée que possible : pieds sur le repose-pieds, mains sur les genoux et regardant droit devant (la position doit refléter la position pendant la propulsion). Demandez au participant de maintenir la même position tout au long du test.
    4. Mesurer le décalage de la cellule de charge par la force d'enregistrement sans corde attachée à l'aide du logiciel ADA3. Appuyez sur OK.
    5. Connectez le fauteuil roulant au transducteur de force avec une corde légère. Assurez-vous que la cellule de charge et la corde sont alignées horizontalement avec l'essieu arrière du fauteuil roulant.
    6. Accélérer la ceinture à la vitesse désirée, dans ce cas 1,11 m/s (4,1 km/h sur l'affichage).
    7. Augmentez l'inclinaison du tapis roulant, attendez que la position du tapis roulant et de la combinaison fauteuil roulant-utilisateur soit stable, et enregistrez la force et l'angle. Répétez l'opération pour 10 angles de plus en plus raides (1,5-6% par incréments de 0,5%).
    8. Adaptez une régression linéaire en utilisant l'angle et la force en utilisant le logiciel ADA3 en cliquant sur Suivant. Calculez la force à l'angle zéro du tapis roulant.
      REMARQUE : L'interception de l'équation de régression ne peut pas être utilisée si l'angle du tapis roulant a un décalage.
    9. Répétez le test de traînée (3.3.3-3.3.8) si le RMSE de la ligne de régression linéaire dépasse 0.5 N37.
  4. Réglage de la puissance sur un tapis roulant
    1. Calculez la puissance désirée et déterminez la vitesse d'essai.
      REMARQUE : Pour le protocole actuel, cela est égal aux résultats obtenus à l'étape 2.7.
    2. Calculez le poids de poulie requis en soustrayant le frottement du test de traînée (à partir de l'étape 3.3.8) de la friction cible (à partir de l'étape 2.7).
    3. Placez la poulie devant ou derrière le tapis roulant et assurez-vous qu'elle est centrée. Fixez la poulie au fauteuil roulant et assurez-vous que la corde est de niveau. Instruisez le participant que le poids de la poulie pourrait déplacer le fauteuil roulant.
    4. Fixez le poids (habituellement entre 0-1 kg) au système de poulie à l'aide d'un panier de faible masse connue et d'un mousqueton. Augmentez lentement le poids si nécessaire, jusqu'à ce que la puissance désirée soit atteinte.
      REMARQUE : Changez alternativement la puissance en modifiant l'angle du tapis roulant basé sur la table d'alimentation d'un essai de traînée.

4. Sortie d'énergie externe pendant les essais à base d'ergomètre

  1. Allumez l'ergomètre au moins 30 min avant de mesurer. Démarrez le logiciel associé sur l'ordinateur.
  2. Appuyez sur le widget Participant, puis appuyez sur Ajouter .... Donnez au participant une pièces d'ind et entrez le poids corporel du participant. Appuyez sur OK.
  3. Appuyez sur l'icône fauteuil roulant du menu appareil. Remplissez les spécifications du fauteuil roulant dans le formulaire. Appuyez sur OK.
    REMARQUE: La variable de poids corporel est importante, car elle influencera la simulation fournie par l'ergomètre.
  4. Appuyez sur le widget du protocole. Créez un protocole personnalisé en sélectionnant Add.... Sélectionnez Protocole personnalisé et appuyez sur Suivant. Donnez au protocole un nom approprié et appuyez sur Créer.
  5. Sélectionnez Étapes et cliquez sur Ajouter la scène et la résistance. Définir la résistance au coefficient de frottement obtenue lors de l'essai de descente à la section 2. Fixez la vitesse cible à 4 km/h et appuyez sur OK (Figure 3).
  6. Configurez l'écran participant. Retirez tous les widgets de l'écran. Cliquez sur Ajouter widget et sélectionnez le widget de direction fauteuil roulant et faites-le glisser dans l'écran ( Figure4).
  7. Alignez le fauteuil roulant sur les rouleaux à l'aide du système d'alignement. Attachez le fauteuil roulant à l'aide du système à quatre ceintures. Vérifiez que les roues ne touchent pas l'ergomètre et sont correctement alignées.
  8. Placez le participant dans une position active et aussi normalisée que possible : pieds sur le repose-pieds, mains sur les genoux et regardant droit devant (la position doit refléter la position pendant la propulsion). Demandez au participant de maintenir la même position tout au long du test.
  9. Calibrer l'ergomètre avec le logiciel associé en appuyant sur le bouton Crosshair dans le menu de l'appareil, et appuyez sur Démarrer l'étalonnage.
    REMARQUE : Les scripts pour l'analyse des données d'ergomètre sont disponibles dans le matériel supplémentaire 5.

5. Estimations internes de la puissance de sortie pendant la propulsion de fauteuil roulant de jante à main

  1. Allumez le spiromètre pendant au moins 45 minutes avant tout étalonnage ou test.
  2. Calibrer le spiromètre selon les directives de l'usine en utilisant le logiciel associé, y compris les étalonnages pour la turbine, le gaz de référence, l'air de la pièce et le retard.
    REMARQUE : L'air de la pièce et les étalonnages de gaz de référence doivent être effectués avant chaque essai.
    1. Effectuer un étalonnage de turbine.
      1. Appuyez sur Turbine dans le menu d'étalonnage. Connectez la turbine avec un lecteur optoélectronique au spiromètre. Connectez la seringue d'étalonnage avec un volume connu à la turbine.
      2. Lorsque l'unité est prête, effectuez six coups contrôlés et complets avec le piston. Appuyez sur l'icône Exit.
    2. Effectuer un étalonnage de gaz de référence.
      1. Gaz de référence de presse dans le menu d'étalonnage. Connectez le régulateur de pression au cylindre d'étalonnage avec une concentration connue de gaz mixte.
        REMARQUE : Le cylindre doit être ouvert, mais le régulateur de pression doit être fermé.
      2. Connectez la ligne d'échantillonnage au connecteur d'échantillonnage du spiromètre et laissez l'autre extrémité déconnectée. Laissez le spiromètre rincer les analyseurs. Assurez-vous que la ligne d'échantillonnage est loin de tout gaz expiré.
      3. Lorsque le spiromètre vous l'invite, connectez l'extrémité libre de la ligne d'échantillonnage au régulateur de pression du cylindre d'étalonnage et ouvrez le régulateur. Sortez avec l'icône Exit après la fin de l'étalonnage.
    3. Effectuer un étalonnage de l'air de la pièce.
      1. Connectez la ligne d'échantillonnage au connecteur d'échantillonnage sur le spiromètre et laissez l'autre extrémité libre. Sortez avec l'icône Exit après la fin de l'étalonnage.
    4. Effectuer un étalonnage de retard.
      1. Connectez la turbine au lecteur optoélectronique et connectez le tube d'échantillonnage. Assurez-vous que les deux sont connectés au spiromètre.
      2. Synchroniser la respiration avec le signal acoustique. Cela peut être effectué par l'opérateur.
        REMARQUE : Cette procédure doit être répétée chaque fois qu'un tube d'échantillonnage est modifié. Nettoyez ou changez le masque utilisé pour cette procédure avant de le donner au participant.
      3. Sortez avec l'icône Exit après la fin de l'étalonnage.
  3. Placez le masque de spiromètre sur le participant. Ajuster les bandes élastiques sur le bouchon de la tête pour créer un joint serré autour de la face du sujet.
    REMARQUE : Connectez-vous un moniteur de fréquence cardiaque au spiromètre et laissez le participant porter la ceinture de fréquence cardiaque.
  4. Fixer le tuyau du spiromètre afin qu'il n'interfère pas avec le mouvement.
  5. Testde presse , puis entrez un nouveau sujet sur l'affichage du spiromètre.
  6. Pour les tests d'exercice sous-maxima, choisissez le mode respiration par respiration. Pour commencer à enregistrer, appuyez sur la touche Enregistrement sur le spiromètre.
    REMARQUE : Les scripts pour l'analyse des données de spiromètre sont disponibles dans le matériel supplémentaire 6.

6. Procédure d'essai

  1. Demandez au participant d'effectuer 4 min d'exercice à l'état régulier à la vitesse désirée (1,11 m/s).
    1. Demandez au participant d'utiliser la rétroaction de vitesse pour rester (en moyenne) à la vitesse désirée.
      REMARQUE : La vitesse peut être montrée à partir de la roue de mesure ou des UIM à partir de leurs ordinateurs portables respectifs dans l'état de surface. Les ordinateurs portables ont des sangles crochet-et-boucle qui permettent la fixation sur les jambes.
    2. Demandez au participant de rester (en moyenne) au centre du tapis roulant pour l'état du tapis roulant.
    3. Demandez au participant de regarder la vitesse et la rétroaction de cap sur l'écran de l'ergomètre dans l'état de l'ergomètre et de le garder (en moyenne) dans la plage cible.
  2. Démarrer un chronomètre et le spiromètre (étape 5.6) en même temps.
    REMARQUE: Cela peut être fait sans un déclencheur externe que la différence de synchronisation de démarrage en appuyant sur est négligeable tout en utilisant la spirométrie souffle par respiration.
  3. Après 30 s, commencez la propulsion en fauteuil roulant.
    REMARQUE : Pour les conditions du tapis roulant et de l'ergomètre, cela implique le démarrage du tapis roulant ou de l'ergomètre. Lors de l'utilisation d'une roue de mesure (étape 2.4.1.8) ou IMUs (étape 2.4.2.3) démarrez ceux aussi bien.
    1. Utilisez le bouton de tour dans l'état de surface pour marquer les coins de la piste.
  4. Après 4 minutes de plus pendant l'essai, sans préavis, demandez au participant d'arrêter de pousser le fauteuil roulant.
    REMARQUE : Dans l'état du tapis roulant, quelques poussées supplémentaires sont nécessaires avant que la ceinture ne s'arrête.

Representative Results

À l'aide de la procédure susmentionnée, la puissance a été déterminée pour 17 participants valides familiarisés (deux séances de pratique de 30 minutes) avec un essai en surface en amont (moyenne de cinq essais). Le profil de la côte a été caractérisé par une roue de mesure dans un couloir d'hôpital lisse. Par la suite, les participants ont été mesurés au cours d'un circuit de 25,0 x 9,0 m, de tapis roulant (2,0 x 1,2 m) et de propulsion en fauteuil roulant ergomètre. La puissance de sortie dans le tapis roulant et les modalités de l'ergomètre ont été jumelées à l'état de surface en utilisant les protocoles décrits dans ce document.

La puissance a été obtenue à partir de la même roue de mesure pendant trois blocs de 4 min de propulsion en fauteuil roulant après un bloc de familiarisation de longueur égale. Seule la dernière minute de chaque bloc a été utilisée pour l'analyse, en supposant une propulsion à l'état stable. Pour les données de propulsion en surface, seules les longues lignes droites (25 m) ont été utilisées. Toutes les données (pré-)traitement ont été effectuées dans Python 3.7 (Python Software Foundation). Les estimations de l'ICC et leurs intervalles de confiance de 95 % ont été calculés en R 3.3.4 (R Core Team), à l'aide d'un modèle à unique cote, à accord absolu, d'effets aléatoires.

Le poids combiné moyen du système d'utilisateur de fauteuil roulant était de 92,6 kg (8,3). La puissance moyenne prévue de l'essai de descente de la côte était de 9,7 W (1,6). La puissance calculée à partir de la roue de mesure était inférieure pour la propulsion en fauteuil roulant de 8,1 W (1,4), le tapis roulant 7,8 W (1,9) et l'ergomètre 8,7 W (2,2) de propulsion en fauteuil roulant. La différence moyenne entre la puissance cible et la puissance mesurée était de -1,6 (1,6), -1,8 (1,4), -1,0 (1,0) W pour la propulsion au sol, sur tapis roulant et ergomètre, respectivement. Ces résultats sont également présentés dans le tableau 1, la figure 5et la figure 6.

La puissance de production pour propulsion au-dessus du sol a montré un accord de faible à modéré (ICC: 0,38, CI: 0,00-0,73) avec la sortie cible. En revanche, la propulsion sur tapis roulant a montré un accord de mauvais à bon (ICC: 0,45, CI: 0,00-0,79) et la propulsion par ergomètre a montré un accord de mauvaise à excellente (ICC: 0,77, CI: 0,11-0,93) accord. L'erreur absolue a été négativement corrélée avec la puissance de sortie pour la propulsion sur l'ergomètre (r -0,55, p - 0,02), mais pas pour les deux autres conditions (au-dessus de la surface: r - 0,47, p 0,06; tapis roulant: r - 0,22, p 0,40).

L'accord entre les conditions était de mauvaise à modérée (ICC : 0,49, CI : 0,20-0,74). La fiabilité à l'intérieur de la modalité (entre les trois blocs de 4 minutes) était bonne à excellente pour le sursol (ICC: 0,91, CI: 0,82-0,97) et tapis roulant (ICC: 0,97, CI: 0,93-0,99) propulsion et modéré à excellent pour la propulsion ergomètre (ICC: 0,97, CI: 0,71-0,99). L'ergomètre a semblé se comporter plus mal au fil du temps, ce qui a été confirmé par un ANOVA à mesures répétées (F(2, 32) - 64,7 , p lt; 0,01), mais il n'y avait pas d'effet de temps pour le sursol (F(2, 32) - 0,9 , p - 0,418) et tapis roulant (F(2, 32) - 0,9 , p - 0,402) propulsion.

Figure 1
Figure 1 : Équilibre de puissance appliqué à la propulsion manuelle en fauteuil roulant. Pout: sortie d'énergie externe (W); ME: efficacité mécanique brute (%); F: force de résistance moyenne; V : vitesse moyenne de cabotage; A : travail par poussée ou cycle (J); fr: fréquence des poussées ou des cycles (1/s); Pint: pertes internes (W); Pair: résistance aérodynamique (W); RouleauP : frottement roulant (W); Pincl: pertes dues à l'inclinaison (W). Ce chiffre est réimprimé à partir de van der Woude et al.20. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Configuration du tapis roulant. À gauche : Configuration de poulie pour augmenter la puissance extérieure sur un tapis roulant pendant la propulsion. À droite: Configuration d'essai de traînée pour mesurer les forces de frottement pendant la propulsion de fauteuil roulant de tapis roulant. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Fenêtre de réglages de protocole pour l'ergomètre de fauteuil roulant. La puissance peut être réglé en choisissant une puissance de sortie et une vitesse cible ou un frottement de roulement et une vitesse cible. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Rétroaction sur l'ergomètre en fauteuil roulant sous la forme d'une parcelle de ligne. Les vitesses de rouleau gauche et droite sont tracées. Les participants doivent essayer de maintenir une vitesse constante tout en allant en ligne droite (en gardant la ligne à l'écran horizontale). Les données de vitesse sont lissées avec une fenêtre coulissante qui peut être modifiée dans les paramètres. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Répartitions de différence relative et absolue entre la friction en amont et la puissance mesurée pendant la propulsion en fauteuil roulant au-dessus du sol (OG), au tapis roulant (TM) et à l'ergomètre (WE). Les moustaches montrent 1,5 fois la gamme interquartile. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Parcelle Bland-Altman pour la friction en administreet et la puissance mesurée pendant la propulsion en fauteuil roulant par-dessus le sol (à gauche), sur tapis roulant (au milieu) et en fauteuil roulant par ergomètre (à droite). Les lignes pointillées gris foncé indiquent la moyenne mise en commun pour une combinaison et les lignes pointillées rouges sont la moyenne de 1,96 écarts-types. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Valeur à double face (W)2 Différence avec la cible Différence avec la cible (%) Différence avec la cible (abs) Accord avec le PO cible (ICC)3 Fiabilité entre les blocs (ICC)3
Cible PO1 9,68 (1,57) N.a N.a N.a. N.a N.a.
Overground PO 8.12 (1.41) -1,56 (1,57) -15.30 (13.70) 1,72 (1,57) 0,38 (0,00 à 0,73) 0,91 (0,82 à 0,97)
PO tapis roulant 7,84 (1,92) -1,84 (1,38) -18,98 (13,42 euros) 1,91 (1,16) 0,45 (0,00 à 0,79) 0,97 (0,93 à 0,99)
ERgomètre PO 8,65 (2,24 euros) -1,02 (0,97) -11,82 (11,94 euros) 1.16 (0,78) 0,77 (0,11 à 0,93) 0,97 (0,71 à 0,99)
1. Calculé à partir de la friction en bas de la côte. 2. Déterminé avec la roue de mesure. 3. Accord bidirectionnel, absolu, évaluateurs fixes avec des intervalles de confiance de 95%. p 'lt; 0.001.

Tableau 1 : Comparaison de la puissance de jeu et de la puissance réelle mesurée à l'aide d'une roue de mesure.

Facteurs Résistance au roulement
Masse corporelle Je n'ai pas
Masse de fauteuil roulant (en anglais) Je n'ai pas
Pression des pneus Je n'ai pas
Taille de la roue ↓
Plancher de dureté Je n'ai pas
Angle de cambre (cambre) ?
Toe-in/out C'est le monde de l'
Castor shimmy - Est-ce qu'il Je n'ai pas
Centre de masse sur roues arrière ↓
Cadre pliant Je n'ai pas
Entretien et maintenance Je n'ai pas

Tableau 2 : Facteurs influençant le frottement de roulement et la puissance pendant la propulsion manuelle en fauteuil roulant. Cette table est réimprimée à partir de van der Woude et al.8.

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Discussion

Dans les sections précédentes, une méthodologie accessible pour déterminer et normaliser la production d'énergie pour différentes modalités en laboratoire a été présentée. En outre, une comparaison entre la puissance de puissance de jeu et la puissance mesurée de sortie pendant la propulsion à état régulier a été faite. Bien que l'erreur systématique ait été présente ainsi qu'une certaine variabilité, les outils présentés sont meilleurs que l'alternative : ne pas normaliser du tout. Ces résultats sont similaires à une autre étude qui a rapporté la puissance mesurée de sortie et la sortie de puissance de définir50. En outre, l'accord entre les conditions était de mauvaise à modérée, ce qui indique qu'une attention particulière devrait être accordée lors de la comparaison d'études utilisant des modalités différentes. Comme prévu, l'état de l'ergomètre présentait l'environnement le plus facile à normaliser du point de vue de l'opérateur. L'ergomètre s'est mieux comporté dans les réglages de frottement élevé. Les blocs (3 x 4 min) dans une modalité ont montré bon-à-excellent et modéré-à-excellent accord. Fait intéressant, l'ergomètre a obtenu de moins bons résultats au fil du temps, peut-être en raison de la dérive du capteur. Par conséquent, il pourrait être prudent de recalibrer l'ergomètre entre chaque bloc. Notez que ces résultats sont pour l'exercice à faible intensité à l'état stable et pourraient différer pour différents protocoles.

Des changements mécaniques ou ergonomiques mineurs dans la combinaison fauteuil roulant-utilisateur peuvent avoir un impact important sur les résultats expérimentaux12,51. L'entretien des matériaux et une pleine connaissance des principes mécaniques des véhicules sont essentiels pour les résultats de performance et la validité de l'expérience. La mécanique du véhicule (p. ex. masse, taille des roues, type et pression des pneus, alignement) et l'ajustement (p. ex., position avant-arrière, centre de masse, masse, avion frontal) de combinaison fauteuil roulant-utilisateur détermineront la traînée de roulement et d'air en combinaison avec les conditions environnementales. La masse et l'orientation du centre de masse affecteront la traînée de roulement par rapport aux roues arrière plus grandes et aux roues plus petites de ricin à l'avant. Un résumé des facteurs influençant la friction larmoique est présenté dans le tableau 2. De plus, le fauteuil roulant est souvent individualisé. Outre les conditions d'intervention (p. ex., mécaniciens de véhicules ou interface) à chaque essai, les conditions du fauteuil roulant doivent également être constantes et la mécanique de son véhicule, y compris le cadre, le siège et les pneus, doit être vérifiée. Les pneus doivent être à une pression fixe sur les tests et entre les individus. Points de contrôle importants52 sont des points de friction possibles, la position de la roue arrière, et les changements potentiels dans l'alignement des roues36,53,54,55.

Les essais en surface nécessitent également une technologie ambulante pour chacun des indicateurs de la tension cardio-pulmonaire, de la cinématique ou des résultats cinétiques. Cela peut être atteint, mais la praticité des mesures complexes est limitée dans un environnement non-recherche. Les tests de descente sont spécifiques pour la combinaison fauteuil roulant-utilisateur individuel et la surface de roulement. Cependant, ils sont statiques, de sorte qu'ils pourraient ne pas capturer toutes les caractéristiques de la combinaison fauteuil roulant-utilisateur56. Ils sont particulièrement sensibles aux changements dans le centre de masse, ce qui pourrait expliquer les petites différences entre l'essai de côte vers le bas et la puissance mesurée sur le terrain. Ces limitations se trouvent également dans le test de traînée et l'étalonnage de l'ergomètre, qui supposent également une position statique de l'utilisateur de fauteuil roulant.

Le test de traînée mesure les forces de résistance du roulement et de la traînée interne de chaque combinaison individu fauteuil roulant-utilisateur. Il est clairement sensible à la mécanique du véhicule du fauteuil roulant, mais aussi la position et l'orientation du corps de l'utilisateur. Une procédure standardisée est essentielle20,36, où à une vitesse de ceinture constante, la combinaison utilisateur-fauteuil roulant est tiré sur la ceinture étant connecté à un transducteur de force calibré unidimensionnelle sur le cadre du tapis roulant à une série d'angles de pente (Figure 2). Un adaptateur de tapis roulant pour les cellules de charge qui peuvent être ajustés à la hauteur de l'axe central du fauteuil roulant est nécessaire. L'utilisation de l'analyse linéaire de régression fournit une estimation statique de la force de traînée moyenne sur la courroie de tapis roulant à l'inclinaison zéro pour une combinaison donnée de fauteuil roulant-utilisateur, qui fournit la sortie externe moyenne de puissance avec le produit de la vitesse de courroie et de la force de traînée. Le test de traînée est robuste en ce qui concerne les petites différences dans l'exécution de l'essai par différents opérateurs (par exemple, la position de la corde)37.

Bien que parfois supposé un test apparemment simple, chacun des éléments de test du test de traînée nécessite la compréhension de la théorie sous-jacente et la formation sur tous les détails des procédures8. Semblable à l'essai de côte en bas, ce test est particulièrement sensible aux changements dans le centre de masse. En outre, le comportement et la sensibilité des transducteurs de force basés sur la jauge de contrainte, leur étalonnage constant (c.-à-d., précision des poids d'étalonnage, séquence de montage)20,36,37, ainsi que toutes les procédures de l'essai de traînée qui sont sensibles aux changements de vitesse ou d'angle d'inclinaison du tapis roulant doivent tous être considérés. Cela signifie que le tapis roulant lui-même doit être vérifié et calibré ainsi37. La conscience constante de ces phénomènes générateurs de bruit doit être suivie et exécutée dans l'expérimentation quotidienne.

La précision des simulations basées sur la sortie d'énergie et leurs résultats dépend entièrement de la normalisation, de la pratique et de la formation de ceux qui mènent les expériences. La diversité des tapis roulants, des ergomètres ou de tout autre appareil à moteur électronique peut être un problème, comme le montrent De Groot et coll.51. En échange de données démographiques, il faut être conscient du rôle potentiel de ces différences sur les résultats des tests. Dans toute expérience en fauteuil roulant, une explication appropriée des conditions d'essai et une présentation ouverte des valeurs réelles de vitesse, de résistance et de puissance devraient être présentées pour n'importe quel sous-groupe ou condition de mesure.

Dans l'expérimentation en fauteuil roulant, il est difficile d'échapper à l'hétérogénéité de l'échantillon d'essai lorsqu'on se concentre sur les utilisateurs réels du fauteuil roulant. Parmi ceux-ci, les personnes atteintes d'une lésion médullaire sont le plus souvent soumis à des recherches, parce qu'ils ont tendance à avoir une lésion stable de la moelle épinière pour le reste de leur vie. Le niveau de lésion, l'exhaustivité, le sexe, l'âge, le talent et le statut de formation déterminent l'hétérogénéité de ces groupes d'étude57. Augmenter le nombre de participants grâce à la collaboration multicentrique est un moyen important de contourner cela et d'augmenter la puissance de l'expérimentation57, même dans les premiers stades de la réhabilitation10. Nous espérons que ce document est un tremplin vers une vaste discussion sur l'expérimentation des fauteuils roulants dans les communautés sportives de réadaptation et d'adaptation qui, nous l'espérons, mène à la collaboration internationale et à l'échange de connaissances par l'entremise des réseaux existants et nouveaux de chercheurs. La disponibilité d'une infrastructure de test adéquate permet une surveillance et une évaluation cohérentes des progrès réalisés dans les domaines de la réadaptation clinique, des sports adaptatifs et au-delà.

Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

La préparation de ce manuscrit a été financée financièrement par une subvention de Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) et a été cofinancée par l'allocation PPP des principaux consortiums pour la connaissance et l'innovation du Ministère de l'économie.

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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Détermination et contrôle de la puissance externe pendant la propulsion régulière en fauteuil roulant handrim
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de Klerk, R., Vegter, R. J. K.,… More

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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