对外部功率输出进行准确和标准化的评估对于评估手动轮椅推进的生理、生物力学和感知应力、应变和容量至关重要。本文介绍了在实验室内外轮椅推进研究期间,各种方法测定和控制功率输出。
使用手动轮椅对世界人口的 1% 至关重要。人动力轮式移动性研究已相当成熟,这导致在过去几十年中改进了研究技术。增进对轮椅移动性能、监测、训练、技能获取以及轮椅用户界面在康复、日常生活和运动中的优化的理解,进一步标准化测量设置和分析是必需的。一个关键的踏脚石是精确测量和标准化外部功率输出(以瓦特为单位),这是解释和比较旨在改善康复实践、日常生活活动的实验的关键。和适应性运动。详细介绍了地面、跑步机和基于测能仪测试中精确功率输出测定的不同方法和优点。地面推进为测试提供了最外在有效的模式,但标准化可能会带来麻烦。跑步机推进在机械上类似于地面推进,但转向和加速是不可能的。测速仪是限制最紧缺的,标准化相对容易。其目的是促进良好的实践和标准化,以促进理论的进一步发展及其在世界各地的研究设施和应用临床和体育科学之间。
据估计,目前世界人口的1%依赖轮式移动,国际研究工作日益进入国际同行评审期刊,涉及康复1、3、工程4、体育科学5、6等不同领域。这导致越来越多的知识库和理解这种人类共同模式的复杂性。然而,为了在康复和适应性运动实践中不断发展和实施,有必要在研究方面进一步进行国际交流与合作。这种协作网络的组成部分是改进实验和测量程序和技术的标准化。此外,在实验室和/或现场持续实施对轮椅使用者组合表现的准确监测,对于最佳的个人功能和参与非常重要,同时在个人的寿命7、8、9期间保持健康和积极的生活方式。
实验上,手动轮椅推进在稳态或高峰运动条件下10、11经常被作为周期性上半身运动,以检查轮椅用户界面12、13、肌肉骨骼加载14、15、16和运动学习和技能获取17、18。循环运动的生物力学和生理概念相结合,允许使用”力量平衡”,这是范因根·舍诺19最初为速度滑冰和自行车引入的建模方法,后来引入手动轮动8、20、21。图 1显示了手动轮椅推进的动力平衡图。它从轮椅用户组合及其三个中心组件(轮椅、用户及其界面)的一系列关键性能决定因素,融合到左侧(生物)机械和生理功率分母和方程的布局中。
功率输出是运动和日常生活环境中的一个重要结果参数,其中峰值功率输出可以代表适应运动性能的提高,或在日常生活22的活动中易于发挥。此外,结合能源消耗,它可以用来评估性能的总机械效率17,18,23(即,一个更熟练的个人将需要较少的内部能量,以产生相同量的外部功率输出)。从实验的角度来看,功率输出是一个在测试过程中需要严格控制的参数,因为功率输出的变化直接影响到所有性能结果,如推时、恢复时间24和机械效率25。因此,控制和报告功率输出对于与手动轮椅推进相关的所有研究都至关重要。
地面测试是有效性(即惯性、空气摩擦、光流和动态运动)的黄金标准26,但外部功率输出、速度和相关环境条件的标准化要困难得多,而且随着时间的推移,重复性会受到影响。地面轮椅相关研究始于20世纪60年代的27,28,主要研究轮式机动性的物理压力。尽管对数据解释和理解8,20至关重要,但外部功率输出的概念仅限于观察在不同表面上执行不同活动时的内部代谢成本。如今,测量轮可用于测量功率输出29、30和滑行试验31、32,以推断推进过程中的摩擦损失,从而推断出功率输出。
不同的实验室技术被开发为轮椅专用运动测试33,从大量的测距仪到不同尺寸和品牌的跑步机。跑步机被认为是最接近地面测试的有效性34,并已用于轮椅运动测试35,36。在测试之前,必须定期检查跑步机的坡度和速度。即使是来自同一品牌的跑步机和制造可能有很大的不同,并改变他们的行为随着时间的推移37。为了确定外部功率输出,一个拖动测试20,36用于单个轮椅用户组合的总滚动和内部阻力力38。拖动测试的力传感器也必须定期校准。为了在时间推轮的一定外部载荷和主体之间进行实验个性化,设计了一个滑轮系统(图2)作为先前坡度依赖梯度的替代方案。
标准化轮椅运动测试的另一种选择是使用固定式测速仪33,从简单的现成式测距仪解决方案39到高度专业化的计算机和仪器测速仪40。很少有商业版本可供使用。测速仪技术和机械特性的巨大多样性,在试验结果33中带来了巨大的未知变异度。测数和轮椅需要连接或固有的融合设计。空气摩擦不存在,感知的惯性仅限于车轮上的模拟惯性,以及推进过程中躯干、头部和手臂的运动,而轮椅使用者基本上是静止的。如果车轮可以充分阻塞,则测速仪确实允许冲刺或厌氧测试以及等轴测测试。
介绍了基于实验室的手动轮式移动研究的基本方法。此外,还简要介绍了基于实地的轮椅研究方法及其潜在成果。中心重点是在现场和实验室实验中控制和测量外部功率输出 (W)。还添加了通过测位法确定内部功率输出,因为这通常用于确定总机械效率。除了实施良好做法外,目标是就试验标准化和国际信息交流展开讨论。目前的研究将主要讨论手部轮椅推进及其测量,因为它是科学文献中最突出的手动轮式移动形式。然而,下面讨论的概念对其他轮椅推进机制(例如,杠杆、曲柄41)同样有效。
当前协议描述了在1.11 m/s的稳态推进期间,在基于地面、跑步机和轮椅测速仪的测试期间功率输出的标准化和测量。例如,滚动摩擦将首先在地面测试中通过滑行测试确定。利用这种摩擦估计,功率输出将在跑步机和测速仪测试中使用研究文献中的可用协议进行设置。对于跑步机测试,摩擦将通过阻力测试确定,功率输出将使用滑轮系统进行调整。对于测速仪测试,使用计算机控制的测速仪将外部功率输出与地面测试相匹配。
在前几节中,提出了确定不同实验室模式的电力输出并标准化的可访问方法。此外,还比较了稳态推进过程中设定的功率输出和测得的功率输出。虽然存在系统误差以及一些可变性,但所提供的工具优于替代方法:根本不标准化。这些结果与另一项研究类似,该研究报告测量功率输出并设置功率输出50。此外,条件之间的一致是差到中度的,这表明在比较使用不同模式的研究时应格外注意。正如所料,从操作员的角度来看,测距仪条件提供了最容易标准化的环境。在高摩擦环境下,测速仪表现更好。一个模式内的块(3 x 4 分钟)表现出良好到优优和中到优的一致。有趣的是,随着时间的推移,测速仪的表现更差,这可能是由于传感器漂移。因此,最好重新校准每个模块之间的测数。请注意,这些结果适用于低强度稳态练习,并且可能因不同的协议而异。
轮椅使用者组合的机械或人体工程学小的变化会对实验结果产生很大影响12,51。材料维护和充分了解车辆机械原理对于性能结果和实验的有效性至关重要。轮椅使用者组合的车辆机械(例如,质量、车轮尺寸、轮胎类型、轮胎类型和压力、对齐)和配合(例如,前-后位置、质量中心、质量、正面平面)将结合环境条件确定滚动和空气阻力。质量和质量中心的方向将影响相对于较大的后轮和前面的较小脚轮滚动阻力。表2概述了影响滚动摩擦的因素。此外,轮椅通常是个性化的。除了每次测试的干预条件(例如车辆机械或界面)外,轮椅状况也必须保持不变,并且应检查其车辆机械,包括车架、座椅和轮胎。轮胎需要在测试和个人之间的固定压力。重要检查点52是可能的摩擦点、后轮位置以及车轮定位36、53、54、55中的潜在变化。
地面测试还需要针对心肺应变、运动学或动力学结果的每个指标提供运动技术。这一点可以得到满足,但在非研究环境中,复杂测量的实用性是有限的。滑降测试是针对单个轮椅使用者组合和滚动表面的。然而,它们是静态的,因此它们可能无法捕获轮椅用户组合的所有特征56。它们对质量中心的变化特别敏感,这或许可以解释海岸下降试验和测量的地面功率输出之间的细微差异。这些限制也存在于阻力测试和测速仪校准中,后者也承担了轮椅使用者的静态位置。
拖动测试测量每个轮椅使用者组合的滚动阻力和内部阻力。它显然对轮椅的车辆机械,但也对使用者的位置和身体方向敏感。标准化程序至关重要,在恒定的皮带速度下,用户-轮椅组合被拉过皮带,以一系列斜角连接到跑步机框架上的单维校准力传感器(图2)。需要一个用于称重传感器的跑步机适配器,可调节到轮椅中心轴的高度。使用线性回归分析,为给定的轮椅用户组合提供以零倾角对跑步机皮带的平均阻力的静态估计值,该组合提供带速度和阻力的均值外部功率输出。对于不同操作员执行测试的微小差异(例如绳索的位置)37,拖动测试是可靠的。
虽然有时假设一个看似简单的测试,但拖动测试的每个测试元素都需要了解基本理论和对程序8的所有细节进行培训。与下岸测试类似,此测试对质量中心的变化特别敏感。此外,必须考虑基于应变片的力传感器的行为和灵敏度、其一致的校准(即校准重量的精度、安装顺序)20、36、37,以及对跑步机速度或倾角变化敏感的拖动测试的任何程序。这意味着跑步机本身需要检查和校准以及37。在日常实验中,必须跟踪和执行对此类产生噪声现象的一致认识。
基于功率输出的仿真及其结果的精确性完全依赖于对进行实验的人员的标准化、实践和培训。跑步机、测数仪或任何其他电子电机驱动装置的多样性可能是个问题,如De Groot等人51所示。在交换基于人口的数据时,人们应当意识到这种差异对测试结果的潜在作用。在任何轮椅实验中,对于任何子组或测量条件,都应对测试条件进行适当的解释,并公开显示速度、电阻和功率输出的实际值。
在轮椅实验中,当聚焦于实际的轮椅使用者时,测试样本的异质性是很难逃避的。其中,脊髓损伤者最常受到研究,因为他们在余生中往往有稳定的脊髓病变。病变水平、完整性、性别、年龄、人才和培训状况决定了这些研究组的异质性57。通过多中心协作增加参与者数量是规避这种情况和增加实验能力的重要途径,即使在康复的早期阶段10。本文有望成为关于康复和适应性运动社区轮椅试验的广泛讨论的垫脚石,希望通过现有的和新的研究人员网络,促进国际合作和知识交流。充足的测试基础设施允许持续监测和评估临床康复、适应性运动等进展。
The authors have nothing to disclose.
本手稿的编写由萨梅恩格金斯弗弗和诺德-内德兰(OPSNN0109)赠款提供财政支助,并由经济部知识和创新顶级财团的PPP补贴共同资助。
'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 |