Точная и стандартизированная оценка внешней мощности имеет решающее значение при оценке физиологического, биомеханического и воспринимаемого стресса, напряжения и емкости в ручном двигателе инвалидной коляске. В настоящей статье представлены различные методы для определения и контроля мощности во время исследований движения инвалидной коляски в лаборатории и за ее пределами.
Использование ручной инвалидной коляски имеет решающее значение для 1% населения мира. Человеческие исследования колесной мобильности значительно созрели, что привело к улучшению методов исследований становятся доступными в течение последних десятилетий. Для углубления понимания производительности колесной мобильности, мониторинга, обучения, приобретения навыков и оптимизации интерфейса инвалидов-инвалидов в области реабилитации, повседневной жизни и спорта, дальнейшей стандартизации измерений и анализы не требуется. Важнейшим шагом является точное измерение и стандартизация внешней мощности (измеренная в Уоттс), которая имеет решающее значение для интерпретации и сравнения экспериментов, направленных на улучшение реабилитационной практики, деятельности повседневной жизни, и адаптивные виды спорта. Различные методологии и преимущества точного определения мощности во время надземных, беговых и эргометровых испытаний представлены и подробно обсуждены. Надземная двигательная установка обеспечивает наиболее внешне действительный режим для тестирования, но стандартизация может быть хлопотной. Беговая дорожка механически похожа на надземную двигательную установку, но поворот и ускорение невозможны. Эргометр является наиболее ограниченным и стандартизации относительно легко. Цель состоит в том, чтобы стимулировать передовую практику и стандартизацию, чтобы облегчить дальнейшее развитие теории и ее применение среди научно-исследовательских учреждений и прикладных клинических и спортивных наук во всем мире.
С оценкам 1% населения мира зависит от колесной мобильности сегодня1,2, последовательный поток международной исследовательской работы все чаще появляется в международных рецензируемых журналов в различных областях, таких как реабилитация1,3, инженерные4, и спортивные науки5,6. Это приводит к растущей базе знаний и понимания сложностей этого общего способа человеческой амбулации. Тем не менее, для постоянного развития и внедрения в реабилитационных и адаптивных спортивных практиках существует необходимость в дальнейшем международном обмене и сотрудничестве в области научных исследований. Неотъемлемой частью таких совместных сетей является совершенствование стандартизации экспериментальных и измерительных процедур и технологий. Кроме того, последовательная реализация точного мониторинга производительности комбинации инвалидов-колясочников в лаборатории и/или в полевых условиях важна для оптимального индивидуального функционирования и участия, в то время как здоровый и активный образ жизни поддерживается на протяжениивсейжизни человека 7,8,9.
Экспериментально, ручной инвалидной коляске двигатель во время устойчивого состояния или пиковых условий упражнений10,11 часто подошел как циклическое движение верхней части тела для целей изучения инвалидной коляске пользователя интерфейс12,13, опорно-двигательной загрузки14,15,16, и моторного обучения и приобретения навыков17,18. Комбинированные биомеханические и физиологические понятия циклических движений позволяют использовать “Power balance”, модельный подход, который был первоначально введен Ван Ingen Schenau19 для конькобежного спорта и езды на велосипеде, а затем введен ы в ручной колесной мобильности8,20,21. На рисунке 1 показана диаграмма баланса сил для ручного движения на инвалидных колясках. Он сходится от выбора критических факторов производительности, определяющих для комбинации инвалидных колясок-пользователя и трех ее центральных компонентов (инвалидная коляска, пользователь и их интерфейс), с левой стороны в макет (био) механических и физиологических знаменателей власти и уравнений.
Мощность является важным параметром результата в контексте спорта и повседневной жизни, где максимальная мощность может представлять как повышенную производительность в адаптированных видов спорта или простота функционирования во время деятельности в повседневной жизни22. Кроме того, в сочетании с потреблением энергии он может быть использован для оценки производительности с точки зрения валовой механической эффективности17,18,23 (т.е., где более квалифицированный человек потребует меньше внутренней энергии для производства такого же количества внешней мощности). С экспериментальной точки зрения, выходная мощность является параметром, который должен быть жестко контролируется во время теста, потому что изменения в мощности имеют прямое влияние на все результаты производительности, такие как время толчка, время восстановления24, и механическая эффективность25. Следовательно, контроль и отчетность мощность имеет важное значение для всех исследований, связанных с ручной тяготеки.
Наземные испытания является золотым стандартом с точки зрения действительности (т.е. инерция, трение воздуха, оптический поток, и динамическое движение)26, но стандартизация внешней мощности, скорость, и связанные с окружающей средой условия гораздо сложнее, и повторяемость с течением времени страдает. Наземные исследования, связанные с инвалидными колясками, начались в 1960-хгодах 27,28 и были сосредоточены на физическом напряжении колесной мобильности. Хотя решающее значение имеет интерпретация данных и понимание8,20, понятия о внешней мощности были ограничены наблюдением внутренних метаболических затрат при выполнении различных видов деятельности на разных поверхностях. В настоящее время, измерения колеса могут быть использованы для измерения мощности29,30 и береговой вниз испытания31,32 могут быть выполнены для вывода фрикционных потерь во время движения и тем самым выходной мощности.
Различные лабораторные технологии были разработаны для инвалидных колясок конкретных испытаний упражнений33, начиная от множества эргометров по-разному размера и брендов беговых дорожек. Беговые дорожки считаются ближе всего к наземного тестирования с точки зрения действительности34 и были использованы с 1960-х годов для тестирования на инвалидных колясках35,36. Перед тестированием наклон и скорость беговой дорожки должны регулярно проверяться. Даже беговые дорожки от одного и того же бренда и сделать может значительно отличаться и изменения в их поведении с течением времени37. Для определения внешней мощности, перетаскивание тест20,36 используется для отдельных инвалидных колясочников комбинации в общей сложности прокатки и внутренней силы сопротивления38. Датчик силы для перетаскивания также должен периодически откалибрована. Для экспериментальной индивидуализации протокола с точки зрения общей внешней нагрузки колесных с течением времени и между субъектами, шкив системы(рисунок 2) был разработан в качестве альтернативы для предыдущих склона зависимых градиентов загрузки36.
Еще одной альтернативой для стандартизированных инвалидных упражнений тестирования было использование стационарных эргометров33, от простых готовых решений эргометр39 к узкоспециализированным компьютерных и приборных эргометров40. Очень немногие из них доступны на коммерческой уровне. Огромное разнообразие эргометрических технологий и механических характеристик вводит большие неизвестные степени изменчивости среди результатов испытаний33. Эргометры и инвалидные коляски должны быть соединены или по своей сути слиты по дизайну. Трений воздуха нет, и воспринимаемая инерция ограничивается смоделированной инерцией на колесах, а движение ощущается в багажнике, голове и руках во время движения, в то время как инвалид-колясочник по существу неподвижн. Эргометр позволяет спринт или анаэробные испытания, а также изометрические испытания, если колеса могут быть надлежащим образом заблокированы.
Представлена базовая методология исследований подвижности ручных колесных транспортных средств в лабораторных исследованиях. Кроме того, представлен краткий обзор методологии исследований инвалидных колясок на местах и ее потенциальных результатов. Основное внимание уделяется контролю и измерению внешней мощности (W) как в полевых, так и в лабораторных экспериментах. Кроме того, добавляется определение внутренней мощности через спирометрию, так как это часто используется для определения валовой механической эффективности. Помимо внедрения передовой практики, цель заключается в проведении обсуждений по вопросам экспериментальной стандартизации и международного обмена информацией. Нынешнее исследование будет в первую очередь решать рукоятки инвалидной коляске и измерения его, потому что это наиболее видная форма ручной колесной мобильности в научной литературе. Тем не менее, понятия, обсуждаемые ниже, в равной степени действительны для других механизмов движения инвалидных колясок (например, рычаги, кривошипы41).
Текущий протокол описывает стандартизацию и измерение выработки энергии во время надземных, беговых и инвалидных колясок на основе тестирования на основе устойчивого состояния движения на 1,11 м/с. Например, во время наземного тестирования с помощью берегового испытания будет определено трение подвижного состава. Используя эту оценку трения, выходы мощности будут установлены в беговой дорожке и эргометриспытаний с использованием имеющихся протоколов из научной литературы. Для испытаний беговой дорожки, трение будет определено с помощью теста сопротивления, и выходная мощность будет скорректирована с помощью шкивной системы. Для эргометровых тестов управляемый компьютером эргометр используется для сопоставления внешней мощности с наземным тестом.
В предыдущих разделах была представлена доступная методология определения и стандартизации мощности для различных лабораторных условий. Кроме того, было проведено сравнение между установленной мощностью и измеренной мощностью при устойчивом состоянии. Хотя систематические ошибки присутствовали, а также некоторые изменчивости, инструменты, представленные лучше, чем альтернативные: не стандартизации на всех. Эти результаты аналогичны другому исследованию, которое сообщило измеренную мощность и установить мощность50. Кроме того, согласование между условиями является неудовлетворительным и умеренным, что свидетельствует о том, что при сопоставлении исследований с использованием различных условий следует уделять особое внимание. Как и ожидалось, состояние эргометра представляло наилегу для стандартизации среды с точки зрения оператора. Эргометр лучше работал в высоких настройках трения. Блоки (3 х 4 мин) в течение одного модальности показали хорошее к отличному и умеренно-к-отличному согласованию. Интересно, что эргометр работал хуже с течением времени, возможно, из-за дрейфа датчика. Поэтому было бы разумно перекалибровать эргометр между каждым блоком. Обратите внимание, что эти результаты для низкоинтенсивных упражнений с устойчивым состоянием и могут отличаться для различных протоколов.
Незначительные механические или эргономичные изменения в комбинации инвалидов-инвалидов могут оказать большое влияние на экспериментальные исходы12,51. Материальное техническое обслуживание и полное осознание механических принципов транспортного средства имеют важное значение для результатов работы и обоснованности эксперимента. Механика транспортного средства (например, масса, размеры колес, тип шины и давление, выравнивание) и подгонка (например, положение переднего проема, центр массы, масса, фронтальная плоскость) комбинации инвалидных колясок-пользователя будут определять подвижность и перетаскивание воздуха в сочетании с условиями окружающей среды. Масса и ориентация центра массы повлияет на подвижное сопротивление по отношению к более крупным задним колесам и меньшим касторовыми колесами спереди. Резюме факторов, влияющих на трения прокатки представлено в таблице 2. Кроме того, инвалидная коляска часто индивидуализирована. Помимо условий вмешательства (например, механики транспортного средства или интерфейса) при каждом тесте, условия инвалидной коляски также должны быть постоянными, и его механика транспортного средства, включая раму, сиденье и шины должны быть проверены. Шины должны быть на фиксированном давлении над тестами и среди людей. Важными контрольно-пропускными пунктами52 являются возможные точки трения, положение заднего колеса, а также потенциальные изменения в выравнивании колес36,53,54,55.
Надземные испытания также требует амбулаторной технологии для каждого из показателей для сердечно-легочной деформации, кинематики или кинетики исходов. Это может быть выполнено, но практичность сложных измерений ограничена в неисследовательской среде. Испытания на побережье специфичны для индивидуальной комбинации инвалидов-инвалидов и подвижной поверхности. Тем не менее, они статичны, поэтому они не могут захватить все характеристики инвалидной коляске-пользователь комбинации56. Они особенно чувствительны к изменениям в центре массы, что может объяснить небольшие различия между береговой вниз тест и измеряется наземной мощности. Эти ограничения также встречаются в перетаскивание тест и эргометр калибровки, которые также принимают статическое положение инвалидной коляске пользователя.
Испытание сопротивления измеряет сопротивляясь усилия свертывания и внутренне сопротивление каждой индивидуальной комбинации инвалид-колясочников-пользователей. Он явно чувствителен к механике транспортного средства инвалидной коляски, но и положение и тело ориентации пользователя. Стандартизированная процедура имеет важное значение20,36, где на постоянной скорости пояса, пользователь-колясочник комбинация тянется за поясом, подключенным к одномерной калибровкой силы преобразователя на раме беговой дорожки на серии наклона углы (Рисунок 2). Требуется адаптер беговой дорожки для нагрузочных ячеек, которые могут быть отрегулированы до высоты центральной оси инвалидной коляски. Использование линейного регрессионного анализа обеспечивает статическую оценку средней силы сопротивления на поясе беговой дорожки при нулевом наклоне для данной комбинации инвалидов-колясочников, которая обеспечивает средний внешний выход с продуктом скорости пояса и силы сопротивления. Тест на перетаскивание является надежным в отношении небольших различий в выполнении теста различными операторами (например, положение веревки)37.
Хотя иногда предполагается, по-видимому простой тест, каждый из элементов тестирования перетащить тест требует понимания основной теории и подготовки по всем деталям процедуры 8. Как и в прибрежном тесте, этот тест особенно чувствителен к изменениям в центре массы. Кроме того, поведение и чувствительность датчика на основе штамма сил, их последовательная калибровка (т.е. точность калибровочных весов, последовательность монтажа)20,36,37, а также любой из процедур перетаскивания теста, которые чувствительны к изменениям скорости или угла наклона беговой дорожки все должны быть рассмотрены. Это означает, что сама беговая дорожка должна быть проверена и откалибрована, а также37. Последовательное осознание таких шумоизоляционных явлений должно отслеживаться и выполняться в повседневных экспериментах.
Точность моделирования на основе мощности и их результатов полностью зависит от стандартизации, практики и подготовки тех, кто проводит эксперименты. Разнообразие беговых дорожек, эргометров, или любой другой электронно моторное устройство может быть проблемой, как показано на De Groot et al.51. В обмен на демографические данные следует осознавать потенциальную роль таких различий в результатах испытаний. В любом эксперименте инвалидной коляски должно быть представлено надлежащее объяснение условий тестирования и открытое представление фактических значений скорости, сопротивления и мощности для любой подгруппы или состояния измерения.
В инвалидных колясках экспериментов, неоднородность испытательного образца трудно избежать, когда упором на фактических инвалидов-колясочников. Среди них, люди с травмой спинного мозга чаще всего подлежат исследованиям, потому что они, как правило, имеют стабильное повреждение спинного мозга для остальной части их жизни. Уровень поражения, полнота, пол, возраст, талант и статус обучения определяют неоднородность таких исследовательских групп57. Увеличение числа участников за счет многоцентрового сотрудничества является важным способом обойти это и увеличить мощность экспериментов57, даже на ранних стадиях реабилитации10. Этот документ, как мы надеемся, является ступенькой к широкому обсуждению экспериментов на инвалидных колясках в реабилитации и адаптивных спортивных сообществах, что, как мы надеемся, приведет к международному сотрудничеству и обмену знаниями через существующие и новые сети исследователей. Наличие адекватной инфраструктуры тестирования позволяет последовательно контролировать и оценивать прогресс в клинической реабилитации, адаптивных видах спорта и за ее пределами.
The authors have nothing to disclose.
Подготовка этой рукописи была финансово поддержана грантом от Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) и была софинансирована PPP-пособием Высшей консорциума по знаниям и инновациям Министерства экономики.
'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 |