Korrekt och standardiserad bedömning av extern uteffekt är avgörande för utvärderingen av fysiologisk, biomekanisk och upplevd stress, stam och kapacitet i manuell rullstolframdrivning. Den aktuella artikeln presenterar olika metoder för att bestämma och kontrollera uteffekten under rullstolsframdrivningsstudier i laboratoriet och utanför.
Användningen av en manuell rullstol är avgörande för 1% av världens befolkning. Forskning om mänsklig rörlighet med hjul har mognat avsevärt, vilket har lett till att förbättrade forskningstekniker blivit tillgängliga under de senaste decennierna. För att öka förståelsen för hjulrörlighet prestanda, övervakning, utbildning, kompetensförvärv och optimering av rullstol-användargränssnittet i rehabilitering, det dagliga livet och sport, ytterligare standardisering av mätset och analyser krävs. En avgörande språngbräda är korrekt mätning och standardisering av extern uteffekt (mätt i Watts), vilket är avgörande för tolkning och jämförelse av experiment som syftar till att förbättra rehabiliteringpraxis, aktiviteter i det dagliga livet, och adaptiva sporter. De olika metoderna och fördelarna med korrekt effekteffektbestämning under överjord, löpband och ergometerbaserade tester presenteras och diskuteras i detalj. Overground framdrivning ger den mest externt giltiga läge för testning, men standardisering kan vara besvärande. Löpband framdrivning är mekaniskt liknar overground framdrivning, men svarvning och acceleration är inte möjligt. En ergometer är den mest begränsade och standardisering en relativt enkel. Målet är att stimulera god praxis och standardisering för att underlätta den fortsatta utvecklingen av teorin och dess tillämpning bland forskningsanläggningar och tillämpad klinisk och idrottsvetenskap runt om i världen.
Med uppskattningsvis 1% av världens befolkning är beroende av hjul rörlighet idag1,2, ett konsekvent flöde av internationellt forskningsarbete alltmer framträder i internationella peer-reviewed tidskrifter inom olika områden såsom rehabilitering1,3, engineering4och idrottsvetenskap5,6. Detta leder till en växande kunskapsbas och förståelse för komplexiteten i detta gemensamma sätt att mänsklig ambulation. Men för ständig utveckling och genomförande av rehabilitering och adaptiv idrottsverksamhet finns det dock ett behov av ytterligare internationellt utbyte och samarbete inom forskning. Integrerad i sådana samarbetsnätverk är förbättrad standardisering av experimentella förfaranden och mätförfaranden och teknik. Dessutom är ett konsekvent genomförande av en korrekt övervakning av rullstolsanvändarkombinationens prestanda i laboratoriet och/eller på området viktigt för en optimal individuell funktion och deltagande, medan en hälsosam och aktiv livsstil upprätthålls över individens livslängd7,8,9.
Experimentellt, manuell rullstol framdrivning under steady-state eller topp träningsförhållanden10,11 är ofta kontaktas som cykliska överkroppen rörelse för att undersöka rullstol-user interface12,13,muskuloskeletal lastning14,15,16,och motor lärande och skicklighet förvärv17,18. Den kombinerade biomekaniska och fysiologiska föreställningar av cykliska rörelser tillåter användning av “Power balance”, en modellering strategi som ursprungligen infördes av Van Ingen Schenau19 för hastighetsåkning och cykling, och senare infördes i manuell hjul rörlighet8,20,21. Figur 1 visar ett effektbalansdiagram för manuell rullstolsframdrivning. Det konvergerar från ett urval av kritiska prestanda avgörande faktorer för rullstol-användare kombination och dess tre centrala komponenter (rullstol, användare och deras gränssnitt), på vänster sida i layouten av (bio)mekaniska och fysiologiska maktnämnare och ekvationer.
Uteffekt är en viktig resultatparameter i samband med sport och vardag där maximal uteffekt kan representera både ökad prestanda inom anpassad sport eller enkel funktion under aktiviteter i det dagliga livet22. I kombination med energiförbrukning kan den dessutom användas för att utvärdera prestanda i form av mekanisk bruttoeffektivitet17,18,23 (dvs. där en mer kvalificerad individ skulle kräva mindre intern energi för att producera samma mängd extern uteffekt). Ur ett experimentellt perspektiv är uteffekt en parameter som måste styras hårt under ett test, eftersom förändringar i uteffekt är av direkt påverkan på alla prestandaresultat som push-tid, återhämtningstid24och mekanisk effektivitet25. Följaktligen är det viktigt att kontrollera och rapportera uteffekt för alla studier som rör manuell rullstolsframdrivning.
Overground testning är guldmyntfoten i fråga om giltighet (dvs tröghet, luftfriktion, optiskt flöde och dynamisk rörelse)26, men standardisering av extern uteffekt, hastighet och tillhörande miljöförhållanden är mycket svårare, och repeterbarhet över tiden lider. Överjordsrullstolsrelaterade studier inleddes på 1960-talet27,28 och fokuserade på den fysiska belastningen av hjulrörlighet. Även avgörande i datatolkning och förståelse8,20,begrepp om extern uteffekt begränsades till observation av den interna metaboliska kostnaden när de utför olika aktiviteter på olika ytor. Numera kan mäthjul användas för att mäta uteffekt29,30 och kust-down tester31,32 kan utföras för att dra slutsatsen friktionsförluster under framdrivning och därmed uteffekt.
Olika laboratoriebaserade tekniker har utvecklats för rullstolsspecifik övningsprovning33, från en mängd ergometrar till olika storlek och märken av löpband. Löpband anses vara närmast overground testning i fråga om giltighet34 och har använts sedan 1960-talet för rullstolsträning testning35,36. Före provningen måste löpbandets lutning och hastighet kontrolleras regelbundet. Även löpband från samma märke och göra kan skilja sig avsevärt och förändring i deras beteende över tiden37. För bestämning av extern uteffekt används ett dragtest20,36 för den individuella rullstolsanvändarkombinationens totala rullande och interna dragkraft38. Kraftsensorn för dragtestet måste också kalibreras regelbundet. För experimentell individualisering av protokollet i form av total extern last av wheeling över tiden och mellan försökspersoner, ett remskiva system (figur 2) har utformats som ett alternativ för de tidigare lutningsberoende lutningar lastning36.
Ett annat alternativ för standardiserade rullstolsträning tester har varit användning av stationära ergometrar33,från enkla off-the shelf ergometer lösningar39 mot högspecialiserade datorbaserade och instrumenterade ergometrar40. Mycket få är kommersiellt tillgängliga. Den enorma mångfalden i ergometerteknik och mekaniska egenskaper introducerar stora okända grader av variation bland testresultaten33. Ergometrar och rullstolar måste anslutas eller i sig smält särels av design. Luftfriktionen är inte närvarande och upplevd tröghet är begränsad till den simulerade trögheten på hjulen, och rörelse upplevs i stammen, huvudet och armarna under framdrivning, medan rullstolsanvändaren är i huvudsak stillastående. Ergometern möjliggör sprint eller anaerob testning samt isometriska tester, om hjulen kan blockeras på lämpligt sätt.
En grundläggande metod för manuell hjulig mobilitetsforskning i labbbaserade studier presenteras. Dessutom ges en kort syn på fältbaserad rullstolsforskningsmetodik och dess potentiella resultat. Det centrala fokuset är att kontrollera och mäta extern uteffekt (W) i både fält- och laboratoriebaserade experiment. Bestämningen av intern uteffekt genom spirometri läggs också till, eftersom detta ofta används för att bestämma brutto mekanisk effektivitet. Förutom genomförandet av god praxis är målet att ta fram diskussioner om experimentell standardisering och internationellt informationsutbyte. Den aktuella studien kommer i första handrim rullstol framdrivning och mätning av denna eftersom det är den mest framträdande formen av manuellt hjul rörlighet i vetenskaplig litteratur. Begrepp som diskuteras nedan gäller dock lika giltiga för andra framdrivningsmekanismer för rullstol (t.ex. spakar, vevar41).
Det aktuella protokollet beskriver standardisering och mätning av uteffekt under överjord, löpband och rullstolsergometerbaserad provning under steady-state framdrivning på 1,11 m/s. Som ett exempel kommer rullande friktion först att bestämmas i överjordstestning med ett kust-down test. Med hjälp av denna uppskattning av friktion, kommer uteffekt att fastställas i löpband och ergometer tester med hjälp av tillgängliga protokoll från forskningslitteraturen. För löpbandstester kommer friktionen att bestämmas med ett dragtest och uteffekten justeras med hjälp av ett remskivasystem. För ergometertester används en datorstyrd ergometer för att matcha extern uteffekt med överjordstestet.
I de föregående avsnitten presenterades en tillgänglig metod för att fastställa och standardisera uteffekten för olika laboratoriebaserade metoder. Dessutom gjordes en jämförelse mellan inställd uteffekt och uppmätt uteffekt under steady-state framdrivning. Även om systematiska fel var närvarande samt vissa variationer, de verktyg som presenteras är bättre än alternativet: inte standardisera alls. Dessa resultat liknar en annan studie som rapporterade uppmätt uteffekt och inställd uteffekt50. Dessutom var överenskommelsen mellan villkoren dålig till måttlig, vilket tyder på att extra uppmärksamhet bör ägnas vid jämförelse av studier med hjälp av olika former. Som förväntat presenterade ergometervillkoret den enklaste miljön för att standardisera ur operatörens perspektiv. Ergometern presterade bättre i de höga friktionsinställningarna. Blocken (3 x 4 min) inom en modalitet visade bra till utmärkt och måttlig till utmärkt överenskommelse. Intressant nog presterade ergometern sämre med tiden, möjligen på grund av sensordrift. Därför kan det vara klokt att kalibrera om ergometern mellan varje block. Observera att dessa resultat är för lågintensiv steady-state-övning och kan skilja sig åt för olika protokoll.
Mindre mekaniska eller ergonomiska förändringar i rullstolsanvändarkombinationen kan ha stor inverkan på experimentella utfall12,51. Materialunderhåll och fullständig medvetenhet om fordonsmekaniska principer är avgörande för prestandaresultat och experimentets giltighet. Fordonsmekaniken (t.ex. massa, hjulstorlekar, däcktyp och tryck, inriktning) och passform (t.ex. framtidsläge, mitten av massan, massan, frontalplanet) av rullstolsanvändarkombination kommer att bestämma rullning och luftdra i kombination med miljöförhållanden. Massan och orienteringen av mitten av massa kommer att påverka rullande dra med avseende på de större bakhjulen och de mindre hjulen framför. En sammanfattning av faktorer som påverkar den rullande friktionen presenteras i tabell 2. Dessutom är rullstolen ofta individualiserad. Förutom insatsförhållandena (t.ex. fordonsmekanik eller gränssnitt) vid varje provning måste rullstolsförhållandena också vara konstanta och dess fordonsmekanik, inklusive ram, säte och däck, bör kontrolleras. Däcken måste vara på ett fast tryck över tester och bland individer. Viktiga kontrollpunkter52 är möjliga friktionspunkter, bakhjulsläge och potentiella förändringar i hjuljustering36,53,54,55.
Overground testning kräver också ambulant teknik för var och en av indikatorerna för hjärt-lungstam, kinematik, eller kinetik resultat. Detta kan uppfyllas, men det praktiska med komplexa mätningar är begränsat i en icke-forskningsmiljö. Coast-down tester är specifika för den individuella rullstol-användarkombination och rullande yta. De är dock statiska, så de kanske inte fångar alla egenskaper hos rullstolsanvändarkombinationen56. De är särskilt känsliga för förändringar i mitten av massa, vilket kan förklara de små skillnaderna mellan kust-down test och den uppmätta overground uteffekt. Dessa begränsningar finns också i dragprovningen och ergometerkalibreringen, som också tar en statisk position för rullstolsanvändaren.
Dragtestet mäter motståndskrafterna för rullande och inre drag av varje enskild rullstolsanvändarkombination. Det är tydligt känsligt för rullstolens fordonsmekanik, men också användarens position och kroppsorientering. Ett standardiserat förfarande är viktigt20,36, där användar-rullstolskombinationen dras över bältet som ansluts till en endimensionell kalibrerad kraftgivare på ramen för löpbandet i en serie lutningsvinklar (figur 2). En löpbandadapter för lastceller som kan justeras till rullstolens mittaxels höjd krävs. Med hjälp av linjär regressionsanalys ger en statisk uppskattning av den genomsnittliga dragkraften på löpbandetbältet vid nolllutning för en given rullstolsanvändarkombination, vilket ger den genomsnittliga externa uteffekten med produkten av remhastighet och dragkraft. Dragtestet är robust när det gäller små skillnader i utförandet av testet av olika aktörer (t.ex. repets position)37.
Även om ibland antas ett till synes enkelt test, var och en av testelementen i dragtestet kräver förståelse för den underliggande teorin och utbildning på alla detaljer i förfarandena8. I likhet med kust-down test, är detta test särskilt känslig för förändringar i mitten av massa. Dessutom beteende och känslighet för stammätarbaserade kraftgivare, deras konsekventa kalibrering (dvs. precision kalibreringsvikter, sekvens av montering)20,36,37,samt någon av de förfaranden dra test som är känsliga för förändringar i hastighet eller lutning vinkel på löpbandet alla måste beaktas. Detta innebär att löpbandet i sig måste kontrolleras och kalibreras samt37. Konsekvent medvetenhet om sådana bullergenererande fenomen måste spåras och genomföras i det dagliga experimentet.
Precisionen hos effektuteffektbaserade simuleringar och deras resultat är helt beroende av standardisering, praxis och utbildning av dem som utför experimenten. Mångfald av löpband, ergometrar eller någon annan elektroniskt motordriven anordning kan vara ett problem, vilket framgår av De Groot et al.51. I utbyte mot befolkningsbaserade uppgifter bör man vara medveten om den potentiella roll som sådana skillnader har när det gäller testresultaten. I alla rullstolsexperiment bör en korrekt förklaring av provningsförhållandena och öppen presentation av de faktiska värdena för hastighet, motstånd och uteffekt presenteras för alla undergrupps- eller mättillstånd.
Vid rullstolsexperiment är det svårt att fly från när de fokuserar på de faktiska rullstolsanvändarna. Bland dem, personer med en ryggmärgsskada är oftast föremål för forskning, eftersom de tenderar att ha en stabil ryggmärg lesion för resten av livet. Lesion nivå, fullständighet, kön, ålder, talang och utbildning status bestämma heterogenitet en sådan studiegrupper57. Att öka antalet deltagare genom multicentersamarbete är ett viktigt sätt att kringgå detta och öka kraften i experiment57, även i ett tidigt skede av rehabilitering10. Detta dokument är förhoppningsvis en språngbräda till en bred diskussion om rullstol experimentera i rehabilitering och adaptiva idrottssamhällen som förhoppningsvis leder till internationellt samarbete och kunskapsutbyte genom befintliga och nya nätverk av forskare. Tillgången till lämplig testinfrastruktur möjliggör konsekvent övervakning och utvärdering av framsteg en klinisk rehabilitering, adaptiva sporter och därefter.
The authors have nothing to disclose.
Utarbetandet av detta manuskript stöddes ekonomiskt av ett bidrag från Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) och samfinansierades genom ppp-bidraget från de bästa konsortierna för kunskap och innovation vid ekonomiministeriet.
'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 |