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Determinazione e controllo della potenza esterna durante la propulsione regolare della sedia a rotelle 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

Una valutazione accurata e standardizzata della produzione di potenza esterna è fondamentale nella valutazione dello stress, della tensione e della capacità fisiologica, biomeccanica e percepita nella propulsione manuale della sedia a rotelle. L'articolo corrente presenta vari metodi per determinare e controllare la potenza durante gli studi di propulsione su sedia a rotelle in laboratorio e oltre.

Abstract

L'uso di una sedia a rotelle manuale è fondamentale per l'1% della popolazione mondiale. La ricerca sulla mobilità su ruote alimentata dall'uomo è notevolmente maturata, il che ha portato a migliorare le tecniche di ricerca disponibili negli ultimi decenni. Per aumentare la comprensione delle prestazioni di mobilità su ruote, monitoraggio, formazione, acquisizione di competenze e ottimizzazione dell'interfaccia utente sedia a rotelle nella riabilitazione, nella vita quotidiana e nello sport, un'ulteriore standardizzazione delle è necessaria un'analisi. Un trampolino di lancio cruciale è l'accurata misurazione e standardizzazione della potenza esterna (misurata in Watt), che è fondamentale per l'interpretazione e il confronto di esperimenti che mirano a migliorare la pratica riabilitativa, le attività della vita quotidiana, e sport adattivi. Le diverse metodologie e i vantaggi della determinazione accurata dell'uscita di potenza durante i test in superficie, tapis roulant e ergometri sono presentati e discussi in dettaglio. La propulsione overground fornisce la modalità più valida esternamente per i test, ma la standardizzazione può essere fastidiosa. La propulsione del tapis roulant è meccanicamente simile alla propulsione in superficie, ma non è possibile girare e accelerare. Un ergometro è il più vincolato e la standardizzazione è relativamente facile. L'obiettivo è quello di stimolare le buone pratiche e la standardizzazione per facilitare l'ulteriore sviluppo della teoria e la sua applicazione tra le strutture di ricerca e le scienze cliniche e sportive applicate in tutto il mondo.

Introduction

Con una stima dell'1% della popolazione mondiale che dipende oggi dalla mobilità su ruote1,2, un flusso costante di lavoro di ricerca internazionale emerge sempre più in riviste internazionali peer-reviewed in diversi campi come la riabilitazione1,3, ingegneria4, e scienze dello sport5,6. Questo porta ad una crescente base di conoscenze e comprensione delle complessità di questo modo comune di ambulation umana. Tuttavia, per lo sviluppo e l'attuazione continui nelle pratiche sportive di riabilitazione e adattative, è necessario un ulteriore scambio internazionale e collaborazione nella ricerca. Integrale a tali reti collaborative è stata migliorata la standardizzazione delle procedure sperimentali e di misurazione e della tecnologia. Inoltre, l'attuazione coerente di un monitoraggio accurato delle prestazioni della combinazione sedia a rotelle in laboratorio e/o sul campo è importante per un funzionamento e una partecipazione individuali ottimali, mentre uno stile di vita sano e attivo viene mantenuto per tutta la durata dell'individuo7,8,9.

Sperimentalmente, la propulsione manuale della sedia a rotelle durante le condizioni di esercizio stabile o di picco10,11 è spesso avvicinata come movimento ciclico della parte superiore del corpo allo scopo di esaminare l'interfaccia12,13, carico muscolo-scheletrico14,15,16, e l'apprendimento motorio e l'acquisizione di abilità17,18. Le nozioni biomeccaniche e fisiologiche combinate dei movimenti ciclici permettono l'uso del "Power balance", un approccio di modellazione inizialmente introdotto da Van Ingen Schenau19 per il pattinaggio di velocità e il ciclismo, e successivamente introdotto nella mobilità manuale a ruote8,20,21. La figura 1 mostra un diagramma di bilanciamento dell'alimentazione per la propulsione manuale della sedia a rotelle. Si converge da una selezione di fattori critici che determinano le prestazioni per la combinazione sedia a rotelle-utente e i suoi tre componenti centrali (la sedia a rotelle, l'utente e la loro interfaccia), sul lato sinistro nel layout di denominatori di potenza (bio) meccanici e fisiologici ed equazioni.

La potenza di uscita è un parametro importante risultato nei contesti sportivi e di vita quotidiana in cui la potenza di picco può rappresentare sia un aumento delle prestazioni negli sport adattati che una facilità di funzionamento durante le attività nella vita quotidiana22. Inoltre, in combinazione con il consumo energetico può essere utilizzato per valutare le prestazioni in termini di efficienza meccanica lorda17,18,23 (cioè, dove un individuo più qualificato richiederebbe meno energia interna per produrre la stessa quantità di potenza esterna). Da un punto di vista sperimentale, l'output di potenza è un parametro che deve essere strettamente controllato durante un test, perché i cambiamenti nella potenza sono di influenza diretta su tutti i risultati delle prestazioni come il tempo di push, il tempo di recupero24e l'efficienza meccanica25. Di conseguenza, il controllo e la segnalazione della potenza sono essenziali per tutti gli studi relativi alla propulsione manuale della sedia a rotelle.

Il test overground è lo standard d'oro in termini di validità (ad esempio, inerzia, attrito dell'aria, flusso ottico e movimento dinamico)26, ma la standardizzazione della potenza esterna, velocità e condizioni ambientali associate è molto più difficile e la ripetibilità nel tempo ne risente. Gli studi relativi alle sedie a rotelle in superficie sono iniziati negli anni'60 27,28 e si sono concentrati sullo sforzo fisico della mobilità su ruote. Sebbene cruciali nell'interpretazione e nella comprensione dei dati8,20, le nozioni sulla potenza esterna si limitavano all'osservazione del costo metabolico interno quando svolgevano diverse attività su superfici diverse. Al giorno d'oggi, ruote di misura possono essere utilizzati per misurare la potenza29,30 e test coast-down31,32 possono essere eseguiti per dedurre le perdite di attrito durante la propulsione e quindi la potenza.

Diverse tecnologie basate su laboratorio sono state sviluppate per i test di esercizio specifici per sedia a rotelle33, che vanno da una moltitudine di ergometri a dimensioni diverse e marche di tapis roulant. I tapis roulant sono considerati più vicini ai test in superficie in termini di validità34 e sono stati utilizzati dagli anni '60 per i test di esercizio su sedia a rotelle35,36. Prima della prova, la pendenza e la velocità del tapis roulant devono essere controllate regolarmente. Anche tapis roulant della stessa marca e fare possono differire notevolmente e cambiare nel loro comportamento nel tempo37. Per la determinazione della potenza esterna, viene utilizzato un test di trascinamento20,36 per il totale della combinazione di rotolamento e forza di trascinamento interna38della singola combinazione sedia a rotelle. Anche il sensore di forza per il test di trascinamento deve essere periodicamente calibrato. Per l'individualizzazione sperimentale del protocollo in termini di carico esterno complessivo di ruote nel tempo e tra i soggetti, un sistema di puleggia (Figura 2) è stato progettato come alternativa per i precedenti gradienti dipendenti dalla pendenza di carico36.

Un'altra alternativa per i test standardizzati per l'esercizio della sedia a rotelle è stato l'uso di ergometri stazionari33, da semplici soluzioni ergometri che si dirigonoda 39 a i quali sono altamente specializzate l'ergometri su computer e gli equiloni stilizzati40. Pochissimi sono disponibili in commercio. L'enorme diversità nella tecnologia ergometrica e le caratteristiche meccaniche introduce grandi gradi sconosciuti di variabilità tra i risultati del test33. Gli ergometri e le sedie a rotelle devono essere collegati o intrinsecamente fusi per progettazione. L'attrito dell'aria non è presente e l'inerzia percepita è limitata all'inerzia simulata sulle ruote e al movimento sperimentato nel tronco, nella testa e nei bracci durante la propulsione, mentre l'utilizzatore della sedia a rotelle è essenzialmente fermo. L'ergometro consente sprint o test anaerobici, nonché test isometrici, se le ruote possono essere adeguatamente bloccate.

Viene presentata una metodologia di base per la ricerca manuale sulla mobilità su ruote negli studi di laboratorio. Inoltre, viene fornita una breve prospettiva sulla metodologia di ricerca sul campo sulle sedie a rotelle e sui suoi potenziali risultati. L'obiettivo centrale è il controllo e la misurazione della potenza esterna (W) sia in esperimenti sul campo che in quelli di laboratorio. Viene inoltre aggiunta la determinazione della potenza interna attraverso la spirometria, in quanto viene spesso utilizzata per determinare l'efficienza meccanica lorda. Oltre all'attuazione delle buone pratiche, l'obiettivo è quello di produrre discussioni sulla standardizzazione sperimentale e lo scambio internazionale di informazioni. Lo studio attuale si occuperà principalmente della propulsione a mano e della sua misurazione perché è la forma più importante di mobilità su ruote manuale nella letteratura scientifica. Tuttavia, le nozioni discusse di seguito sono ugualmente valide per altri meccanismi di propulsione per sedie a rotelle (ad esempio, leve, manovelle41).

Il protocollo attuale descrive la standardizzazione e la misurazione della potenza durante i test in superficie, tapis roulant e prove basati su ercemetro per sedie a rotelle durante la propulsione a stato costante a 1,11 m/s. Ad esempio, l'attrito di rotolamento sarà determinato prima nei test in superficie con un test coast-down. Utilizzando questa stima dell'attrito, le uscite di potenza saranno impostate nei test del tapis roulant e del ergometro utilizzando protocolli disponibili dalla letteratura di ricerca. Per i test sul tapis roulant, l'attrito sarà determinato con un test di trascinamento e l'uscita di potenza verrà regolata utilizzando un sistema di puleggia. Per i test ergometer viene utilizzato un ergometro controllato dal computer per abbinare la potenza esterna con il test in superficie.

Protocol

Questo studio è stato approvato dal comitato etico locale (Comitato Etico scienze del movimento umano) presso l'University Medical Center Groningen. Tutti i partecipanti hanno firmato il consenso informato scritto.

1. Progettazione e configurazione dello studio

  1. Istruire il partecipante e ottenere il consenso informato in linea con il Comitato Etico dell'istituzione.
  2. Determinare la preparazione per l'attività fisica dei partecipanti eseguendo una valutazione di base con il questionario di preparazione all'attività fisica42,43.
  3. Eseguire lo screening ospedaliero con un medico.
  4. Decidere una potenza fissa per tutti i partecipanti (ad es., 10-20 W a 1,11 m/s), una potenza relativa (ad esempio, 0,25 W/kg di peso corporeo a 1,11 m/s), o una potenza individuale "realistica" basata su una superficie di interesse (basata su un test di coste).
  5. Consentire al partecipante di acquisire familiarità con le condizioni di superficie, tapis roulant ed ergometro prima del test.
  6. Controllare la pressione degli pneumatici e la meccanica generale della sedia a rotelle prima di ogni misurazione e gonfiare le gomme a 600 kPa se necessario.
    NOTA: Per ottenere risultati validi per il lavoro cardiopolmonare della parte superiore del corpo e l'efficienza meccanica lorda (ME), si dovrebbe rispettare una durata minima di 3 min per submaximal (fino al 70% di capacità di esercizio di picco) blocco di esercizio per ottenere l'esercizio di stato costante con un rapporto di scambio respiratorio inferiore a 144,45. Soprattutto nella propulsione a mano, la velocità della sedia a rotelle deve rimanere all'interno di un intervallo comodo o fattibile (0,56,0 m/s) per escludere le emissioni di controllo motorio46,47,48, il che significa che gli incrementi di potenza sono preferibilmente controllati da incrementi di resistenza.

2. Uscita esterna durante i test in superficie

  1. Eseguire la prova coast-down sulla superficie di interesse. Posizionare il partecipante in una posizione attiva e il più standardizzato possibile: piedi sul poggiapiedi, mani sul giro e guardando dritto (la posizione dovrebbe essere riflettente della posizione durante la propulsione).
    NOTA: Ogni movimento cambia il centro di massa, che cambia la resistenza di rotolamento.
  2. Accelerare la sedia a rotelle ad alta velocità.
    NOTA: Questo può essere fatto anche dal partecipante.
  3. Lasciate che la sedia a rotelle decelera fino a un punto morto completo senza interferenze.
  4. Registrare i dati relativi al tempo e alla velocità durante la decelerazione (ad esempio, con ruote di misura o unità di misura inerziali). Vedere le sezioni 2.4.1 e 2.4.2.
    1. Registrare i dati utilizzando le ruote di misurazione.
      1. Sostituire le ruote della sedia a rotelle con una ruota di misura e il manichino inerziale (Tabella dei materiali), preferibilmente mentre il partecipante non è sulla sedia a rotelle.
        NOTA: questo esempio è per la ruota OptiPush. Le altre ruote potrebbero avere requisiti di calibrazione diversi.
      2. Accendere la ruota di misurazione utilizzando l'interruttore di accensione/spegnimento.
      3. Accendere il portatile con il ricevitore Bluetooth USB e il software associato.
      4. Aprire il software sul computer.
      5. Collegare la rotellina con il software selezionando la porta di comunicazione (COM) corretta. Se la porta COM corretta non viene visualizzata nell'elenco, premere Aggiorna per aggiornare l'elenco e riprovare. Premere Avanti.
      6. Compilare i campi obbligatori nella schermata Configurazione client. Premere Avanti.
        NOTA: prestare particolare attenzione alle impostazioni Dimensioni ruota e Lato ruota.
      7. Raccogliere i dati di offset premendo Start nella configurazione della ruota e ruotando lentamente la ruota senza toccare il cerchio del mano fino a quando il cerchio rosso diventa verde. In alternativa, premere Salta per ignorare questo passaggio se la procedura è già stata eseguita dall'ultima installazione della rotellina. Premere Avanti.
      8. Per raccogliere dati, premere Record nella schermata Raccolta dati. Riprendere il normale protocollo coast-down da qui in su.
        NOTA: gli script per l'analisi dei dati delle ruote di misurazione sono disponibili nel Materiale supplementare 1.
    2. Registrare i dati utilizzando unità di misura inerziali (IMU).
      1. Attaccare le IPU (Tavolo dei Materiali) alla sedia a rotelle: una su ciascun mozzo della ruota e una al centro sotto il sedile. Annotare quale IMU è collegato dove e in quale orientamento per riferimento futuro.
      2. Attivare le iMU e collegare le iMU al computer utilizzando l'eseguibile NGIMU Synchronized Network Manager.
      3. Per raccogliere dati, passare a Strumenti, selezionare Data Loggere premere Start. Riprendere il normale protocollo coast-down da qui in su.
        NOTA: gli script per l'analisi dei dati IMU sono disponibili nel Materiale supplementare 2.
  5. Ripetere la procedura di cost-down (2.1-2.4) e raccogliere dati avanti e indietro per ridurre l'influenza delle superfici irregolari.
  6. Aprire il software coast_down_test su un computer. Premere Importa dati per importare il file di dati coast-down (ruota di misurazione o IMU). Selezionare le sezioni di discesa nei dati utilizzando il dispositivo di scorrimento nel grafico a destra e premendo Acquisisci selezione.
  7. Impostare il peso del partecipante e della sedia a rotelle nella sezione Impostazioni. Premere Calcola risultati. Annotare l'attrito medio di rotolamento (N) e il coefficiente di attrito di rotolamento. Premere Esporta per salvare tutti i dati (meta) per riferimento futuro.
    NOTA: quando non si può presumere un attrito costante a causa della resistenza all'aria (cioè, nella maggior parte degli ambienti sportivi), l'analisi diventa un po' più complessa. Il protocollo è identico, ma la velocità iniziale dovrebbe probabilmente essere maggiore. In questo caso, un'equazione differenziale non lineare deve essere risolta e tale equazione deve essere adattata a un informato regolo di curva (ad esempio, Levenberg-Marquardt)49.



    In questa equazione è la velocità istantanea ed è la velocità iniziale all'inizio della decelerazione. riflette l'attrito dipendente dalla velocità e riflette l'attrito indipendente dalla velocità (). Gli script per l'analisi dei test coast-down sono disponibili nel Materiale supplementare 3 e l'interfaccia utente grafica (GUI) per l'analisi dei test coast-down utilizzati nel passaggio 2.7 è disponibile nel Materiale supplementare 4.

3. Uscita esterna durante il test del tapis roulant

  1. Caratterizzazione del tapis roulant
    1. Misurare la velocità della cinghia del tapis roulant caricato con un tachimetro calibrato per determinare quale impostazione del tapis roulant deve essere utilizzata (ad esempio, per 1,11 m/s il tapis roulant deve essere impostato su 4,1 km/h sul display invece di 4,0 km/h).
      NOTA: In alternativa, determinare la velocità del nastro misurando la lunghezza del nastro e contando dieci rotazioni durante la registrazione del tempo con un cronometro/videocamera.
    2. Misurare gli angoli del tapis roulant utilizzando un sensore di angolo. Verificare la coerenza ripetendo le misurazioni e verificare l'isteresi ripetendo le misurazioni in ordine decrescente.
      NOTA: Controllare la velocità del tapis roulant con un tachipiedi e gli angoli con un sensore di angolo durante ogni misurazione se la loro affidabilità è bassa.
  2. Test di trascinamento: calibrazione
    1. Accendere l'alimentatore del sensore di forza di trascinamento almeno 30 min prima della calibrazione.
    2. Sospendere il trasduttore di forza verticalmente e allinearsi con un sensore laser o angolare autolivellante.
    3. Impostare il computer di test di trascinamento e collegare il sensore di forza con il computer. Aprire il software ADA3 sul computer di test di trascinamento e premere Calibrate Force sensor.
    4. Collegare i pesi noti (calibrati) (1-10 kg con incrementi di 1 kg) al sensore e registrare i valori digitali.
    5. Adattare un'equazione di regressione lineare per determinare la relazione tra carico applicato e tensione misurata continuando nel software ADA3.
    6. Ripetere (3.2.1-3.2.5) se l'errore root-mean-square (RMSE) supera 0.13 N37.
  3. Esecuzione di un test di trascinamento
    1. Accendere l'alimentatore almeno 30 min prima della misurazione.
    2. Impostare il computer di test di trascinamento e collegare il sensore di forza con il computer. Aprire il software ADA3 sul computer di test di trascinamento e premere Misurazioni tabella di alimentazione.
    3. Posizionare la combinazione sedia a rotelle-utilizzatore sul tapis roulant. Posizionare il partecipante in una posizione attiva e il più standardizzato possibile: piedi sul poggiapiedi, mani sul giro e guardando dritto (la posizione dovrebbe essere riflettente della posizione durante la propulsione). Indicare al partecipante di mantenere la stessa posizione durante il test.
    4. Misurare l'offset della cella di carico registrando la forza senza alcuna corda attaccata utilizzando il software ADA3. Premere OK.
    5. Collegare la sedia a rotelle al trasduttore di forza con una corda leggera. Assicurarsi che la cella di carico e la corda siano allineate orizzontalmente con l'asse posteriore della sedia a rotelle.
    6. Accelerare la cinghia alla velocità desiderata, in questo caso 1,11 m/s (4,1 km/h sul display).
    7. Aumentare l'inclinazione del tapis roulant, attendere che la posizione del tapis roulant e della combinazione sedia a rotelle sia stabile e registrare la forza e l'angolo. Ripetere per 10 angoli sempre più ripidi (1,5-6% in incrementi dello 0,5%).
    8. Adattare una regressione lineare utilizzando l'angolo e la forza utilizzando il software ADA3 facendo clic su Avanti. Calcolare la forza in corrispondenza dell'angolo zero del tapis roulant.
      NOTA: l'intercetta dell'equazione di regressione non può essere utilizzata se l'angolo del tapis roulant ha uno scostamento.
    9. Ripetere il test di trascinamento (3.3.3-3.3.8) se RMSE della retta di regressione lineare supera 0,5 N37.
  4. Impostazione dell'uscita di potenza su un tapis roulant
    1. Calcolare l'uscita di potenza desiderata e determinare la velocità di prova.
      NOTA: per il protocollo corrente, questo è uguale ai risultati ottenuti nel passaggio 2.7.
    2. Calcolare il peso della puleggia richiesto sottraendo l'attrito del test di trascinamento (dal passaggio 3.3.8) dall'attrito di destinazione (dal punto 2.7).
    3. Posizionare la puleggia davanti o dietro il tapis roulant e assicurarsi che sia centrata. Fissare la puleggia sulla sedia a rotelle e assicurarsi che la corda sia livellata. Istruire il partecipante che il peso nella puleggia potrebbe spostare la sedia a rotelle.
    4. Fissare il peso (di solito tra 0-1 kg) al sistema di puleggia utilizzando un cesto di bassa massa nota e un carabiniere. Aumentare lentamente il peso, se necessario, fino a raggiungere l'uscita di potenza desiderata.
      NOTA: In alternativa, modificare l'uscita di potenza modificando l'angolo del tapis roulant in base alla tabella di alimentazione di un test di trascinamento.

4. Uscita esterna durante i test basati su ergometer

  1. Accendere l'ergometro almeno 30 min prima della misurazione. Avviare il software associato sul computer.
  2. Premere il widget Partecipante, quindi premere Aggiungi.... Assegnare al partecipante un ID e immettere il peso corporeo del partecipante. Premere OK.
  3. Premere l'icona della sedia a rotelle nel menu Dispositivo. Compilare le specifiche della sedia a rotelle nel modulo. Premere OK.
    NOTA: La variabile del peso corporeo è importante, perché influenzerà la simulazione fornita dall'ergometro.
  4. Premere il widget protocollo. Creare un protocollo personalizzato selezionando Aggiungi.... Selezionare Protocollo personalizzato e premere Avanti. Assegnare al protocollo un nome appropriato e premere Crea.
  5. Selezionate Fasi e fate clic su Aggiungi fase e resistenza. Impostare la resistenza al coefficiente di attrito ottenuto con la prova coast-down nella sezione 2. Impostare la velocità di destinazione a 4 km/h e premere OK (Figura 3).
  6. Configurare la schermata del partecipante. Rimuovere tutti i widget dallo schermo. Fare clic su Aggiungi widget e selezionare il widget Direzione sedia a rotelle e trascinarlo sullo schermo (Figura 4).
  7. Allineare la sedia a rotelle sui rulli utilizzando il sistema di allineamento. Fissare la sedia a rotelle utilizzando il sistema a quattro cinture. Verificare che le ruote non tocchino l'ergometro e siano allineate correttamente.
  8. Posizionare il partecipante in una posizione attiva e il più standardizzato possibile: piedi sul poggiapiedi, mani sul giro e guardando dritto (la posizione dovrebbe essere riflettente della posizione durante la propulsione). Indicare al partecipante di mantenere la stessa posizione durante il test.
  9. Calibrare l'ergometro con il software associato premendo il pulsante Mirino nel menu Dispositivo e premere Avvia calibrazione.
    NOTA: gli script per l'analisi dei dati dell'ergometro sono disponibili nel Materiale supplementare 5.

5. Stime interne della potenza durante la propulsione della sedia a rotelle a cerchio a mano

  1. Accendere lo spirometro per almeno 45 min prima di qualsiasi calibrazione o test.
  2. Calibrare lo spirometro in base alle linee guida della fabbrica utilizzando il software associato, incluse le calibrazioni per la turbina, il gas di riferimento, l'aria ambiente e il ritardo.
    NOTA: prima di ogni test devono essere eseguite le calibrazioni dell'aria ambiente e del gas di riferimento.
    1. Eseguire una calibrazione della turbina.
      1. Premere Turbina nel menu di calibrazione. Collegare la turbina con un lettore optoelettronico allo spirometro. Collegare la siringa di calibrazione con un volume noto alla turbina.
      2. Quando l'unità è pronta, eseguire sei colpi controllati e completi con il pistone. Premere l'icona Esci.
    2. Eseguire una calibrazione del gas di riferimento.
      1. Premere Gas di riferimento nel menu di calibrazione. Collegare il regolatore di pressione al cilindro di calibrazione con una concentrazione nota di gas misto.
        NOTA: il cilindro deve essere aperto, ma il regolatore di pressione deve essere chiuso.
      2. Collegare la linea di campionamento al connettore di campionamento dello spirometro e lasciare l'altra estremità scollegata. Lascia che lo spirometro lavi gli analizzatori. Assicurarsi che la linea di campionamento sia lontana da qualsiasi gas espirato.
      3. Quando richiesto dallo spirometro, collegare l'estremità libera della linea di campionamento al regolatore di pressione sul cilindro di calibrazione e aprire il regolatore. Uscire con l'icona Esci al termine della calibrazione.
    3. Eseguire una calibrazione dell'aria della stanza.
      1. Collegare la linea di campionamento al connettore di campionamento sullo spirometro e lasciare l'altra estremità libera. Uscire con l'icona Esci al termine della calibrazione.
    4. Eseguire una calibrazione ritardata.
      1. Collegare la turbina al lettore optoelettronico e collegare il tubo di campionamento. Assicurarsi che entrambi siano collegati allo spirometro.
      2. Sincronizzare la respirazione con il segnale acustico. Questa operazione può essere eseguita dall'operatore.
        NOTA: questa procedura deve essere ripetuta ogni volta che viene modificato un tubo di campionamento. Pulire o cambiare la maschera utilizzata per questa procedura prima di darla al partecipante.
      3. Uscire con l'icona Esci al termine della calibrazione.
  3. Mettere la maschera spirometro sul partecipante. Regolare gli elastici sul tappo della testa per creare una tenuta stretta intorno alla faccia del soggetto.
    NOTA: Opzionalmente collegare un monitor della frequenza cardiaca allo spirometro e lasciare che il partecipante indossi la cintura di frequenza cardiaca.
  4. Fissare il tubo dello spirometro in modo che non interferisca con il movimento.
  5. Premere Test, quindi immettere un Nuovo soggetto sul display dello spirometro.
  6. Per i test di esercizio submassimo scegliere la modalità respiro per respiro. Per avviare la registrazione premere il tasto Registra sullo spirometro.
    NOTA: gli script per l'analisi dei dati dello spirometro sono disponibili nel materiale supplementare 6.

6. Procedura di test

  1. Indicare al partecipante di eseguire 4 minuti di esercizio a stato costante alla velocità desiderata (1,11 m/s).
    1. Indicare al partecipante di utilizzare il feedback sulla velocità per rimanere (in media) alla velocità desiderata.
      NOTA: La velocità può essere visualizzata dalla ruota di misurazione o dalle IME dei rispettivi computer portatili in condizioni di superficie. I portatili hanno cinghie hook-and-loop che consentono la fissazione sulle gambe.
    2. Indicare al partecipante di rimanere (in media) al centro del tapis roulant per la condizione del tapis roulant.
    3. Istruire il partecipante a esaminare la velocità e il feedback dell'intestazione sullo schermo dell'ergometro nella condizione ergometrica e di mantenerlo (in media) all'interno dell'intervallo di destinazione.
  2. Avviare contemporaneamente un cronometro e lo spirometro (passaggio 5.6).
    NOTA: Questo può essere fatto senza un trigger esterno come la differenza di temporizzazione dalla pressione di avvio è trascurabile durante l'utilizzo di spirometria respiro per respiro.
  3. Dopo 30 s, avviare la propulsione sedia a rotelle.
    NOTA: Per le condizioni del tapis roulant e dell'ergometro ciò implica l'avvio del tapis roulant o dell'ergometro. Quando si utilizza una ruota di misurazione (passaggio 2.4.1.8) o le unità di misura (passaggio 2.4.2.3) avviare anche quelle.
    1. Utilizzare il pulsante giro nella condizione di overground per contrassegnare gli angoli della pista.
  4. Dopo altri 4 minuti durante il test, senza preavviso, istruisciili il partecipante a smettere di spingere la sedia a rotelle.
    NOTA: Nella condizione del tapis roulant sono necessarie alcune spinte aggiuntive prima dell'arresto della cinghia.

Representative Results

Utilizzando la suddetta procedura, la potenza è stata determinata per 17 partecipanti familiari (due sessioni di pratica da 30 minuti) con un test di andata e ritorno in avanti (media di cinque prove). Il profilo coast-down è stato caratterizzato da una ruota di misura in un corridoio dell'ospedale liscio. Successivamente, i partecipanti sono stati misurati durante il circuito in superficie (25,0 x 9,0 m), il tapis roulant (2,0 x 1,2 m) e la propulsione su sedia a rotelle ergometro. L'uscita di potenza nelle modalità tapis roulant ed ergometro è stata abbinata alla condizione di superficie utilizzando i protocolli descritti in questo documento.

L'uscita di potenza è stata ottenuta dalla stessa ruota di misurazione durante tre blocchi di 4 min di propulsione su sedia a rotelle dopo un blocco di familiarizzazione di uguale lunghezza. Solo l'ultimo minuto di ogni blocco è stato utilizzato per l'analisi, assumendo una propulsione a stato costante. Per i dati di propulsione in superficie sono stati utilizzati solo i lunghi rettilinei (25 m). Tutti i dati (pre-)elaborazione sono stati eseguiti in Python 3.7 (Python Software Foundation). Le stime ICC e i loro intervalli di confidenza del 95% sono stati calcolati in R 3.3.4 (R Core Team), utilizzando un modello a rating singolo, accordo assoluto e effetti casuali.

Il peso medio combinato del sistema per l'uso della sedia a rotelle era di 92,6 kg. La potenza media prevista dal test coast-down è stata di 9,7 W (1,6). La potenza calcolata dalla ruota di misurazione è stata inferiore per la propulsione su carrozzeria in superficie 8,1 W (1,4), tapis roulant 7,8 W (1,9) e il ergometro di propulsione in carrozzeria da 8,2 W (2,2). La differenza media tra la potenza di potenza di destinazione e la potenza misurata è stata rispettivamente di -1,6 (1,6), -1,8 (1,4), -1,0 W per la propulsione in superficie, del tapis roulant e dell'ergometro. Questi risultati sono illustrati anche nella tabella 1, Figura 5e Figura 6.

La potenza della propulsione fuori terra ha mostrato un accordo povero-moderato (ICC: 0,38, CI: 0,00-0,73) con l'uscita obiettivo. Al contrario, la propulsione del tapis roulant ha mostrato un accordo povero-buono (ICC: 0,45, CI: 0,00-0,79) e la propulsione ergometrica ha mostrato un accordo da povero a eccellente (ICC: 0,77, CI: 0,11-0,93). L'errore assoluto è stato correlato negativamente con l'uscita di potenza per la propulsione sull'ergometro (r -0,55, p - 0,02), ma non per le altre due condizioni (overground: r : 0,47, p - 0,06; tapis roulant: r - 0,22, p - 0,40).

L'accordo tra le condizioni era scarsamente moderato (ICC: 0,49, CI: 0,20-0,74). L'affidabilità all'interno della modalità (tra i tre blocchi da 4 min) era buona per l'ottimità in superficie (ICC: 0,91, CI: 0,82-0,97) e tapis roulant (ICC: 0,97, CI: 0,93-0,99) propulsione e da moderato a eccellente per la propulsione ergometrica (ICC: 0,97, CI: 0,71-0,99). L'ergometro sembrava avere un rendimento peggiore nel tempo, che è stato confermato da un ripetuto propulsori ANOVA (F(2, 32) , 64,7 , p < 0,01), ma non c'era alcun effetto temporale per la messa a terra (F(2, 32) , 0,9 , p , 0,418) e tapis roulant (F(2, 32) , p , 0,402 propulsione.

Figure 1
Figura 1: Bilanciamento di potenza applicato alla propulsione manuale della sedia a rotelle. Pout: uscita esterna (W); ME: Efficienza meccanica lorda (%); F: forza di resistenza media; V: velocità di costeggiamento media; A: lavoro per push o ciclo (J); fr: frequenza di spinte o cicli (1/s); Pint: perdite interne (W); Paria: resistenza aerodinamica (W); PRoll: attrito di rotolamento (W); Pincl: perdite dovute all'inclinazione (W). Questa cifra è ristampata da van der Woude et al.20. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: impostazione del tapis roulant. Sinistra: Configurazione della pulley per aumentare la potenza esterna su un tapis roulant durante la propulsione. A destra: Trascinare la configurazione del test per misurare le forze di attrito durante la propulsione della sedia a rotelle del tapis roulant. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Finestra Delle impostazioni del protocollo per l'ergometro della sedia a rotelle. L'uscita di potenza può essere impostata scegliendo un'uscita di potenza e una velocità di destinazione o un attrito di rotolamento e una velocità di destinazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Feedback sull'ergometro della sedia a rotelle sotto forma di un grafico di linea. Le velocità del rullo sinistro e destro vengono tracciate. I partecipanti dovrebbero cercare di mantenere una velocità costante mentre vanno in linea retta (mantenendo la linea sullo schermo orizzontale). I dati di velocità vengono smussati con una finestra scorrevole che può essere modificata nelle impostazioni. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Distribuzioni di differenze relative e assolute tra attrito costiero e potenza misurata durante la propulsione in superficie (OG), tapis roulant (TM) ed ergometro (WE). I baffi mostrano 1,5 x la gamma interquartile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Trama Bland-Altman per l'attrito coast-down e la potenza misurata durante la propulsione in superficie (a sinistra), tapis roulant (al centro) e ergometro (destra) propulsione su sedia a rotelle. Le linee tratteggiate grigio scuro indicano la media raggruppata per una combinazione e le linee tratteggiate rosse sono la media di 1,96 deviazioni standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Valore fronte/retro (W)2 Differenza con l'obiettivo Differenza con l'obiettivo (%) Differenza con il bersaglio (abs) Accordo con l'obiettivo PO (ICC)3 Affidabilità tra i blocchi (ICC)3
Ordine difornitore di destinazione 1 9,68 (1,57) N.a N.a N.a. N.a N.a.
PO in superficie 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)
TAPis roulant 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)
Po Ergometro 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. Calcolato dall'attrito coast-down. 2. Determinato con ruota di misurazione. 3. Accordo assoluto a due vie, tassi fissi con intervalli di confidenza del 95%. p < 0.001.

Tabella 1: Confronto tra potenza impostata e potenza effettiva misurata con una ruota di misurazione.

Fattori Resistenza al rotolamento
Massa corporea ↑
Massa di una sedia a rotelle ↑
Pressione degli pneumatici ↑
Dimensioni della ruota ↓
Pavimento di durezza ↑
Angolo Camber ?
Toe-in/out " " "
Ricastolo ↑
Centro di massa sulle ruote posteriori ↓
Cornice pieghevole ↑
Manutenzione . ↑

Tabella 2: Fattori che influenzano l'attrito di rotolamento e la potenza durante la propulsione manuale della sedia a rotelle. Questo tavolo è ristampato da van der Woude et al.8.

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Discussion

Nelle sezioni precedenti è stata presentata una metodologia accessibile per determinare e standardizzare la potenza di uscita per diverse modalità di laboratorio. Inoltre, è stato effettuato un confronto tra l'uscita di potenza impostata e la potenza misurata durante la propulsione a stato costante. Mentre era presente un errore sistematico e una certa variabilità, gli strumenti presentati sono migliori dell'alternativa: non standardizzare affatto. Questi risultati sono simili a un altro studio che ha riportato la potenza misurata e ha impostato la potenza di uscita50. Inoltre, l'accordo tra le condizioni era scarsamente moderato, indicando che occorre prestare maggiore attenzione quando si confrontano gli studi utilizzando modalità diverse. Come previsto, la condizione ergometrica presentava l'ambiente più semplice da standardizzare dal punto di vista dell'operatore. L'ergometro ha ottenuto prestazioni migliori nelle impostazioni ad alto attrito. I blocchi (3 x 4 min) all'interno di una modalità hanno mostrato un accordo da buono a eccellente e da moderato a eccellente. È interessante notare che l'ergometro ha ottenuto risultati peggiori nel tempo, probabilmente a causa della deriva del sensore. Pertanto, potrebbe essere prudente ricalibrare l'ergometro tra ogni blocco. Si noti che questi risultati sono per l'esercizio a basso livello di steady state e potrebbero differire per protocolli diversi.

Piccoli cambiamenti meccanici o ergonomici nella combinazione sedia a rotelle-utente possono avere un grande impatto sui risultati sperimentali12,51. La manutenzione dei materiali e la piena consapevolezza dei principi meccanici dei veicoli sono essenziali per i risultati prestazionali e la validità dell'esperimento. I meccanici del veicolo (ad esempio, massa, dimensioni delle ruote, tipo di pneumatico e pressione, allineamento) e vestibilità (ad esempio, posizione anteriore, centro di massa, massa, piano frontale) della combinazione sedia a rotelle-utente determineranno il rotolamento e la resistenza all'aria in combinazione con le condizioni ambientali. La massa e l'orientamento del centro di massa influenzeranno la resistenza rotante rispetto alle ruote posteriori più grandi e alle ruote di ricino più piccole davanti. Una sintesi dei fattori che influenzano l'attrito di rotolamento è presentata nella tabella 2. Inoltre, la sedia a rotelle è spesso individualizzata. Oltre alle condizioni di intervento (ad esempio, meccanica del veicolo o interfaccia) ad ogni prova, anche le condizioni della sedia a rotelle devono essere costanti e devono essere controllati i suoi meccanici, tra cui telaio, sedile e pneumatici. Gli pneumatici devono essere a pressione fissa sui test e tra gli individui. Punti di arrestoimportanti 52 sono possibili punti di attrito, posizione della ruota posteriore e potenziali cambiamenti nel tracciato della ruota36,53,54,55.

I test in superficie richiedono anche una tecnologia ambulante per ciascuno degli indicatori per il ceppo cardiopolmonare, la cinetica o i risultati cinetici. Questo può essere soddisfatto, ma la praticità delle misurazioni complesse è limitata in un ambiente non di ricerca. I test Coast-down sono specifici per la combinazione individuale sedia a rotelle-utente e superficie di rotolamento. Tuttavia, sono statici, quindi potrebbero non catturare tutte le caratteristiche della combinazione sedia a rotelle-utente56. Sono particolarmente sensibili ai cambiamenti nel centro di massa, che potrebbero spiegare le piccole differenze tra il test coast-down e la potenza misurata fuori terra. Queste limitazioni si trovano anche nel test di resistenza e nella calibrazione dell'ergometro, che assumono anche una posizione statica dell'utente della sedia a rotelle.

Il test di resistenza misura le forze resistenti di rotolamento e resistenza interna di ogni singola combinazione sedia a rotelle-utilizzatore. È chiaramente sensibile alla meccanica del veicolo della sedia a rotelle, ma anche alla posizione e all'orientamento del corpo dell'utente. Una procedura standardizzata è essenziale20,36, dove ad una velocità costante della cinghia, la combinazione utente-sedia a rotelle viene tirata sopra la cintura collegata a un trasduttore di forza calibrato unidimensionale sul telaio del tapis roulant ad una serie di angoli dipendenza( Figura 2 ). È necessario un adattatore per tapis roulant per celle di carico che possono essere regolate in base all'altezza dell'asse centrale della sedia a rotelle. L'utilizzo dell'analisi di regressione lineare fornisce una stima statica della forza di trascinamento media sulla cinghia del tapis roulant a un'inclinazione zero per una determinata combinazione utente-sedia a rotelle, che fornisce l'uscita di potenza esterna media con il prodotto della velocità della cinghia e della forza di trascinamento. Il test di resistenza è robusto per quanto riguarda le piccole differenze nell'esecuzione del test da parte di diversi operatori (ad esempio, la posizione della corda)37.

Anche se a volte assunto un test apparentemente semplice, ciascuno degli elementi di test del test di resistenza richiede la comprensione della teoria sottostante e la formazione su tutti i dettagli delle procedure8. Simile al test coast-down, questo test è particolarmente sensibile ai cambiamenti nel centro di massa. Inoltre, il comportamento e la sensibilità dei trasduttori di forza basati su misura di deformazione, la loro calibrazione coerente (cioè la precisione dei pesi di calibrazione, la sequenza di montaggio)20,36,37, così come una qualsiasi delle procedure della prova di resistenza che sono sensibili ai cambiamenti nella velocità o nell'angolo di inclinazione del tapis roulant devono essere tutti considerati. Ciò significa che il tapis roulant stesso deve essere controllato e calibrato anche37. La consapevolezza costante di tali fenomeni di generazione di rumore deve essere tracciata ed eseguita nella sperimentazione quotidiana.

La precisione delle simulazioni basate sull'output energetico e i loro risultati dipendono pienamente dalla standardizzazione, dalla pratica e dalla formazione di coloro che conducono gli esperimenti. La diversità di tapis roulant, ergometri o qualsiasi altro dispositivo a motore elettronicamente può essere un problema, come mostrato da De Groot et al.51. In cambio di dati basati sulla popolazione, si dovrebbe essere consapevoli del potenziale ruolo di tali differenze sui risultati dei test. In ogni esperimento sulla sedia a rotelle, deve essere presentata una spiegazione adeguata delle condizioni di prova e la presentazione aperta dei valori effettivi per la velocità, la resistenza e l'uscita di potenza per qualsiasi sottogruppo o condizione di misurazione.

Nella sperimentazione su sedia a rotelle, l'eterogeneità del campione di prova è difficile da sfuggire quando si concentra sugli utenti effettivi della sedia a rotelle. Tra questi, le persone con una lesione del midollo spinale sono più frequentemente oggetto di ricerca, perché tendono ad avere una lesione stabile del midollo spinale per il resto della loro vita. Livello di lesion, completezza, genere, età, talento e stato di formazione determinano l'eterogeneità di tali gruppi di studio57. Aumentare il numero di partecipanti attraverso la collaborazione multicentrica è un modo importante per aggirare questo e aumentare la potenza della sperimentazione57,anche nelle prime fasi della riabilitazione10. Si spera che questo documento sia un trampolino di lancio per un'ampia discussione sulla sperimentazione di sedie a rotelle nelle comunità sportive di riabilitazione e adattiva che, si spera, porti alla collaborazione internazionale e allo scambio di conoscenze attraverso le reti esistenti e nuove di ricercatori. La disponibilità di un'adeguata infrastruttura di test consente un monitoraggio e una valutazione costanti dei progressi compiuti nella riabilitazione clinica, negli sport adattivi e oltre.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

La preparazione di questo manoscritto è stata sostenuta finanziariamente da una sovvenzione di Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) ed è stata co-finanziata dal PPP-allowance dei migliori consorzi per la conoscenza e l'innovazione del Ministero degli Affari Economici.

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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