Nauwkeurige en gestandaardiseerde beoordeling van het externe vermogen is cruciaal bij de evaluatie van fysiologische, biomechanische en waargenomen stress, spanning en capaciteit bij handmatige rolstoelaandrijving. Het huidige artikel presenteert verschillende methoden om het vermogen te bepalen en te controleren tijdens rolstoelvoortstuwingsstudies in het laboratorium en daarbuiten.
Het gebruik van een handmatige rolstoel is cruciaal voor 1% van de wereldbevolking. Menselijk aangedreven mobiliteit onderzoek op wielen is aanzienlijk gerijpt, wat heeft geleid tot verbeterde onderzoekstechnieken beschikbaar komen in de afgelopen decennia. Om het inzicht in de mobiliteitsprestaties op wielen, monitoring, training, vaardigheidsverwerving en optimalisatie van de rolstoelgebruikersinterface in revalidatie, het dagelijks leven en sport te vergroten, wordt de metingsopstellingen en analyses is vereist. Een cruciale springplank is de nauwkeurige meting en standaardisatie van het externe vermogen (gemeten in Watts), wat cruciaal is voor de interpretatie en vergelijking van experimenten die gericht zijn op het verbeteren van de revalidatiepraktijk, activiteiten van het dagelijks leven, en adaptieve sporten. De verschillende methodologieën en voordelen van nauwkeurige vermogensbepaling tijdens bovengrondse, loopband- en ergometergebaseerde tests worden in detail gepresenteerd en besproken. Bovengrondse voortstuwing biedt de meest extern geldige modus voor het testen, maar standaardisatie kan lastig zijn. Loopbandaandrijving is mechanisch vergelijkbaar met bovengrondse voortstuwing, maar draaien en accelereren is niet mogelijk. Een ergometer is de meest beperkte en standaardisatie is relatief eenvoudig. Het doel is om goede praktijken en standaardisatie te stimuleren om de verdere ontwikkeling van theorie en de toepassing ervan tussen onderzoeksfaciliteiten en toegepaste klinische en sportwetenschappen over de hele wereld te vergemakkelijken.
Aangezien naar schatting 1% van de wereldbevolking vandaag de dag afhankelijk is van mobiliteit op wielen1,2, komt er steeds meer een consistente stroom van internationaal onderzoek naar voren in internationale peer-reviewed tijdschriften op uiteenlopende gebieden zoals revalidatie1,3, engineering4en sportwetenschappen5,6. Dit leidt tot een groeiende kennisbasis en begrip van de complexiteit van deze gemeenschappelijke wijze van menselijke ambulation. Voor voortdurende ontwikkeling en implementatie in revalidatie en adaptieve sportpraktijken is er echter behoefte aan verdere internationale uitwisseling en samenwerking in onderzoek. Integraal onderdeel van dergelijke samenwerkingsnetwerken zijn verbeterde standaardisatie van experimentele en meetprocedures en technologie. Bovendien is een consistente implementatie van nauwkeurige monitoring van de prestaties van de rolstoelgebruikerscombinatie in het laboratorium en/of in het veld belangrijk voor een optimaal individueel functioneren en participatie, terwijl een gezonde en actieve levensstijl gedurende de levensduur van het individu wordt gehandhaafd7,8,9.
Experimenteel wordt handmatige rolstoelaandrijving tijdens steady-state ofpiekoefeningsomstandigheden 10,11 vaak benaderd als cyclische beweging van het bovenlichaam met het oog op het onderzoeken van de rolstoelgebruikersinterface12,13, het laden van het bewegingsapparaat14,15,16, en motorisch leren en vaardigheidsverwerving17,18. De gecombineerde biomechanische en fysiologische begrippen van cyclische bewegingen maken het gebruik van de “Power balance”, een modelleringsbenadering mogelijk die aanvankelijk werd geïntroduceerd door Van Ingen Schenau19 voor schaatsen en fietsen, en later geïntroduceerd in handmobiliteit op wielen8,20,21. Figuur 1 toont een vermogensbalansdiagram voor handmatige rolstoelaandrijving. Het convergeert van een selectie van kritische prestatiebepalende factoren voor de rolstoel-gebruiker combinatie en de drie centrale componenten (de rolstoel, gebruiker, en hun interface), aan de linkerkant in de lay-out van (bio)mechanische en fysiologische macht noemers en vergelijkingen.
Het vermogen is een belangrijke uitkomstparameter in de context van sport en dagelijks leven, waarbij het piekvermogen zowel betere prestaties kan vertegenwoordigen in aangepaste sporten als het bedieningsgemak tijdens activiteiten in het dagelijks leven22. Bovendien kan het in combinatie met het energieverbruik worden gebruikt om de prestaties te evalueren in termen van bruto mechanische efficiëntie17,18,23 (d.w.z. wanneer een bekwaamer individu minder interne energie nodig zou hebben om dezelfde hoeveelheid extern vermogen te produceren). Vanuit experimenteel oogpunt is het vermogen een parameter die tijdens een test strak moet worden gecontroleerd, omdat veranderingen in het vermogen van directe invloed zijn op alle prestatieresultaten, zoals pushtijd, hersteltijd24en mechanische efficiëntie25. Het beheersen en rapporteren van het vermogen is dan ook essentieel voor alle studies met betrekking tot handmatige rolstoelaandrijving.
Bovengrondse tests is de gouden standaard in termen van geldigheid (d.w.z. traagheid, luchtwrijving, optische stroom en dynamische beweging)26, maar standaardisatie van externe vermogen, snelheid en bijbehorende omgevingsomstandigheden is veel moeilijker, en herhaalbaarheid na verloop van tijd lijdt. Bovengrondse rolstoelgerelateerde studies begonnen in de jaren 196027,28 en gericht op de fysieke belasting van mobiliteit op wielen. Hoewel de gegevens interpretatie en het begrip8,20, begrippen over externe vermogens waren beperkt tot de waarneming van de interne metabole kosten bij het uitvoeren van verschillende activiteiten op verschillende oppervlakken. Tegenwoordig kunnen meetwielen worden gebruikt om het vermogenvan 29,30 en kustverlagende tests31te meten,32 kunnen worden uitgevoerd om de wrijvingsverliezen tijdens de voortstuwing en daarmee het vermogen af te leiden.
Verschillende laboratoriumgebaseerde technologieën werden ontwikkeld voor rolstoelspecifieke oefeningstests33,variërend van een veelheid aan ergometers tot verschillende grootte en merken van loopbanden. Loopbanden worden beschouwd als het dichtst bij bovengrondse testen in termen van geldigheid34 en zijn gebruikt sinds de jaren 1960 voor rolstoel oefening testen35,36. Voorafgaand aan het testen moeten de helling en de snelheid van de loopband regelmatig worden gecontroleerd. Zelfs loopbanden van hetzelfde merk en maken kan aanzienlijk verschillen en verandering in hun gedrag na verloop van tijd37. Voor de bepaling van het externe vermogen wordt een sleeptest20,36 gebruikt voor het totaal van de rol- en interne sleepkracht38van de individuele rolstoelgebruikerscombinatie. De krachtsensor voor de sleeptest moet ook periodiek worden gekalibreerd. Voor de experimentele individualisering van het protocol in termen van algemene externe belasting van het wheeling in de tijd en tussen de proefpersonen, is een katrolsysteem (figuur 2) ontworpen als alternatief voor de vorige hellingsafhankelijke hellingen van de belasting36.
Een ander alternatief voor gestandaardiseerde rolstoel oefening testen is het gebruik van stationaire ergometers33, van eenvoudige off-the shelf ergometer oplossingen39 tot zeer gespecialiseerde computer-based en instrumented ergometers40. Zeer weinigen zijn commercieel beschikbaar. De enorme diversiteit in ergometertechnologie en mechanische kenmerken introduceert grote onbekende mate van variabiliteit onder de testresultaten33. Ergometers en rolstoelen moeten worden aangesloten of inherent versmolten door het ontwerp. Luchtwrijving is niet aanwezig en de waargenomen traagheid is beperkt tot de gesimuleerde traagheid op de wielen, en beweging ervaren in de romp, hoofd en armen tijdens de voortstuwing, terwijl de rolstoelgebruiker is in wezen stationair. De ergometer maakt sprint of anaerobe testen mogelijk, evenals isometrische testen, als de wielen voldoende kunnen worden geblokkeerd.
Een basismethodologie voor handgericht mobiliteitsonderzoek op wielen in labgebaseerde studies wordt gepresenteerd. Ook wordt een korte kijk op de op het veld gebaseerde methodologie voor rolstoelonderzoek en de mogelijke resultaten ervan geboden. Centraal staat het aansturen en meten van het externe vermogen (W) in zowel veld- als laboratoriumexperimenten. De bepaling van het interne vermogen door middel van spirometrie wordt ook toegevoegd, omdat dit vaak wordt gebruikt om de bruto mechanische efficiëntie te bepalen. Naast de implementatie van goede praktijken is het doel om discussies te maken over experimentele standaardisatie en internationale informatie-uitwisseling. De huidige studie zal voornamelijk betrekking hebben op handrim rolstoelvoortstuwing en de meting daarvan, omdat het de meest prominente vorm van handmatige mobiliteit op wielen in de wetenschappelijke literatuur is. De hieronder besproken begrippen zijn echter even geldig voor andere mechanismen voor rolstoelvoortstuwing (bijvoorbeeld hefbomen, cranks41).
Het huidige protocol beschrijft de standaardisatie en meting van het vermogen tijdens bovengrondse, loopband- en rolstoelergometergebaseerde tests tijdens steady-state voortstuwing op 1,11 m/s. Als voorbeeld, zal het rollen wrijving eerst in bovengrondse testen met een kust-beneden test worden bepaald. Met behulp van deze schatting van wrijving, zal het vermogen worden ingesteld in de loopband en ergometer tests met behulp van beschikbare protocollen uit de onderzoeksliteratuur. Voor loopbandtests wordt wrijving bepaald met een sleeptest en wordt het vermogen aangepast met behulp van een katrolsysteem. Voor de ergometertests wordt een computergestuurde ergometer gebruikt om het externe vermogen af te koppelen aan de bovengrondse test.
In de vorige secties werd een toegankelijke methodologie voor het bepalen en standaardiseren van het vermogen voor verschillende laboratoriumgebaseerde modaliteiten gepresenteerd. Daarnaast werd een vergelijking gemaakt tussen het ingestelde vermogen en het gemeten vermogen tijdens de steady-state voortstuwing. Terwijl systematische fout aanwezig was, evenals enige variabiliteit, de gepresenteerde tools zijn beter dan het alternatief: helemaal niet standaardiseren. Deze resultaten zijn vergelijkbaar met een andere studie die gerapporteerd gemeten vermogen en stel vermogen50. Bovendien was de overeenstemming tussen de omstandigheden slecht tot matig, wat erop wees dat er extra aandacht moet worden besteed bij het vergelijken van studies met behulp van verschillende modaliteiten. Zoals verwacht, de ergometer voorwaarde presenteerde de gemakkelijkste omgeving te standaardiseren vanuit het perspectief van de exploitant. De ergometer presteerde beter in de hoge wrijvingsinstellingen. De blokken (3 x 4 min) binnen één modaliteit toonden goed-aan-uitstekende en matig-aan-uitstekende overeenkomst. Interessant is dat de ergometer slechter presteerde na verloop van tijd, mogelijk als gevolg van sensor drift. Daarom is het misschien verstandig om de ergometer tussen elk blok opnieuw te kalibreren. Merk op dat deze resultaten zijn voor lage intensiteit steady-state oefening en kan verschillen voor verschillende protocollen.
Kleine mechanische of ergonomische veranderingen in de rolstoelgebruikerscombinatie kunnen een grote impact hebben op de experimentele resultaten12,51. Materiaalonderhoud en een volledig bewustzijn van mechanische principes van voertuigen zijn essentieel voor de prestatieresultaten en de geldigheid van het experiment. De voertuigmechanica (bijvoorbeeld massa, wielmaten, bandtype en -druk, uitlijning) en pasvorm (bijvoorbeeld voor-achterpositie, massacentrum, massa, frontaal vlak) van de combinatie rolstoelgebruikers bepalen de rol- en luchtweerstand in combinatie met omgevingsomstandigheden. De massa en de oriëntatie van het massacentrum zullen de rolweerstand beïnvloeden ten opzichte van de grotere achterwielen en de kleinere wielen vooraan. Een samenvatting van factoren die van invloed zijn op de rolwrijving wordt gepresenteerd in tabel 2. Bovendien wordt de rolstoel vaak geïndividualiseerd. Naast de interventieomstandigheden (bijvoorbeeld voertuigmechanica of interface) bij elke test, moeten ook de rolstoelomstandigheden constant zijn en moeten de voertuigmechanica, met inbegrip van frame, stoel en banden, worden gecontroleerd. De banden moeten worden op een vaste druk over tests en onder individuen. Belangrijke controlepunten52 zijn mogelijke wrijvingspunten, achterwielpositie en mogelijke veranderingen in wieluitlijning36,53,54,55.
Bovengrondse testen vereist ook ambulante technologie voor elk van de indicatoren voor cardiopulmonale stam, kinematica, of kinematica resultaten. Hieraan kan worden voldaan, maar de uitvoerbaarheid van complexe metingen is beperkt in een niet-onderzoeksomgeving. Coast-down tests zijn specifiek voor de individuele rolstoel-gebruiker combinatie en rollend oppervlak. Ze zijn echter statisch, zodat ze misschien niet alle kenmerken van de rolstoelgebruikerscombinatie56vastleggen. Ze zijn vooral gevoelig voor veranderingen in het massacentrum, wat de kleine verschillen tussen de kust-down test en de gemeten bovengrondse vermogen zou kunnen verklaren. Deze beperkingen zijn ook te vinden in de dragtest en ergometer kalibratie, die ook een statische positie van de rolstoelgebruiker aannemen.
De sleeptest meet de weerstandskrachten van het rollen en de interne luchtweerstand van elke individuele combinatie van rolstoelgebruikers. Het is duidelijk gevoelig voor voertuigmechanica van de rolstoel, maar ook positie en lichaamsoriëntatie van de gebruiker. Een gestandaardiseerde procedure is essentieel20,36, waar bij een constante riemsnelheid de combinatie van de gebruiker-rolstoel over de riem wordt getrokken die wordt aangesloten op een eendimensionale gekalibreerde krachttransducer op het frame van de loopband bij een reeks hellinghoeken (Figuur 2). Een loopbandadapter voor belastingscellen die kunnen worden aangepast aan de hoogte van de middenas van de rolstoel is vereist. Het gebruik van lineaire regressieanalyse geeft een statische schatting van de gemiddelde sleepkracht op de loopbandgordel bij nul neiging voor een bepaalde rolstoelgebruikerscombinatie, die het gemiddelde externe vermogen voorziet van het product van de riemsnelheid en de sleepkracht. De sleeptest is robuust met betrekking tot kleine verschillen in de uitvoering van de test door verschillende operatoren (bijvoorbeeld de positie van het touw)37.
Hoewel soms uitgegaan van een schijnbaar eenvoudige test, elk van de testelementen van de sleep test vereist begrip van de onderliggende theorie en opleiding op alle details van de procedures8. Net als bij de coast-down test, deze test is vooral gevoelig voor veranderingen in het centrum van de massa. Bovendien moeten het gedrag en de gevoeligheid van de op spanning stanggebaseerde krachttransducers, hun consistente kalibratie (d.w.z. de precisie van kalibratiegewichten, montagevolgorde)20,36,37, evenals een van de procedures van de sleeptest die gevoelig zijn voor veranderingen in snelheid of hellingshoek van de loopband allemaal in overweging worden genomen. Dit betekent dat de loopband zelf moet worden gecontroleerd en gekalibreerd en37. Een consistent bewustzijn van dergelijke geluidsgenererende verschijnselen moet worden gevolgd en uitgevoerd in de dagelijkse experimenten.
Precisie van vermogensuitvoer gebaseerde simulaties en hun resultaten zijn volledig afhankelijk van de standaardisatie, praktijk en opleiding van degenen die de experimenten uit te voeren. Diversiteit van loopbanden, ergometers, of een ander elektronisch motor aangedreven apparaat kan een probleem zijn, zoals blijkt uit De Groot et al.51. In de uitwisseling van op de bevolking gebaseerde gegevens moet men zich bewust zijn van de mogelijke rol van dergelijke verschillen op de testresultaten. In elk rolstoelexperiment moet een goede uitleg worden gegeven van de testomstandigheden en een open presentatie van de werkelijke waarden voor snelheid, weerstand en vermogen voor elke subgroep of meetconditie.
Bij rolstoelexperimenten is heterogeniteit van het testmonster moeilijk te ontsnappen wanneer u zich richt op de werkelijke rolstoelgebruikers. Onder die, mensen met een dwarslaesie zijn het vaakst onderworpen aan onderzoek, omdat ze de neiging om een stabiele dwarslaesie hebben voor de rest van hun leven. Laesieniveau, volledigheid, geslacht, leeftijd, talent en opleidingsstatus bepalen de heterogeniteit van dergelijke studiegroepen57. Het verhogen van het aantal deelnemers door middel van multicenter samenwerking is een belangrijke manier om dit te omzeilen en de kracht van experimenten te vergroten57, zelfs in de vroege stadia van revalidatie10. Dit document is hopelijk een springplank naar een brede discussie over rolstoelexperimenting in revalidatie en adaptieve sportgemeenschappen die hopelijk leidt tot internationale samenwerking en kennisuitwisseling via de bestaande en nieuwe netwerken van onderzoekers. De beschikbaarheid van adequate testinfrastructuur maakt een consistente monitoring en evaluatie van de vooruitgang op het gebied van klinische revalidatie, adaptieve sport en daarbuiten mogelijk.
The authors have nothing to disclose.
De voorbereiding van dit manuscript werd financieel ondersteund door een subsidie van Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) en werd medegefinancierd door de PPS-uitkering van de Top consortia voor Kennis en Innovatie van het ministerie van Economische Zaken.
'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 |