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의학

Determinando e controlando a saída de energia externa durante propulsão regular de cadeira de rodas Handrim

Published: February 05, 2020
doi:
10.3791/60492
, , , , ,
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

A avaliação precisa e padronizada da produção de energia externa é crucial na avaliação de estresse fisiológico, biomecânico e percebido, tensão e capacidade na propulsão manual de cadeira de rodas. O artigo atual apresenta vários métodos para determinar e controlar a saída de energia durante estudos de propulsão de cadeira de rodas em laboratório e além.

Abstract

O uso de uma cadeira de rodas manual é fundamental para 1% da população mundial. A pesquisa de mobilidade de rodas movida seixos humanas amadureceu consideravelmente, o que levou a melhorar as técnicas de pesquisa se tornando disponíveis nas últimas décadas. Para aumentar a compreensão do desempenho da mobilidade rodada, monitoramento, treinamento, aquisição de habilidades e otimização da interface cadeirante-usuário em reabilitação, vida cotidiana e esportes, padronização adicional de configurações de medição e análises são necessárias. Um trampolim crucial é a medição precisa e a padronização da produção de energia externa (medida em Watts), que é fundamental para a interpretação e comparação de experimentos com o objetivo de melhorar a prática de reabilitação, as atividades da vida diária, e esportes adaptativos. As diferentes metodologias e vantagens da determinação precisa da saída de energia durante testes terrestres, esteiras e errômetros são apresentadas e discutidas detalhadamente. A propulsão terrestre fornece o modo mais válido externamente para testes, mas a padronização pode ser problemática. A propulsão da esteira é mecanicamente semelhante à propulsão terrestre, mas girar e acelerar não é possível. Um erômetro é o mais restrito e a padronização é relativamente fácil. O objetivo é estimular a boa prática e a padronização para facilitar o desenvolvimento da teoria e sua aplicação entre as instalações de pesquisa e ciências clínicas e esportivas aplicadas em todo o mundo.

Introduction

Com uma estimativa de 1% da população mundial dependente da mobilidade de rodas hoje1,2, um fluxo consistente de trabalho internacional de pesquisa emerge cada vez mais em revistas internacionais revisadas por pares em diversas áreas como reabilitação1,3, engenharia4e ciências do esporte5,6. Isso leva a uma crescente base de conhecimento e compreensão das complexidades desse modo comum de ambulação humana. No entanto, para o desenvolvimento contínuo e implementação em práticas de reabilitação e esportes adaptativos, há a necessidade de mais intercâmbio internacional e colaboração em pesquisa. A integração a tais redes colaborativas são aprimoradas a padronização dos procedimentos experimentais e de medição e tecnologia. Além disso, a implementação consistente do monitoramento preciso do desempenho da combinação de cadeirantes em laboratório e/ou no campo é importante para um ótimo funcionamento individual e participação, enquanto um estilo de vida saudável e ativo é mantido ao longo da vida útil do indivíduo7,8,9.

Experimentalmente, propulsão manual de cadeira de rodas durante condições de exercício de estado estável ou de pico10,11 é frequentemente abordada como movimento cíclico da parte superior do corpo com o propósito de examinar a interface cadeirante-user12,13, carregamento musculoesquelético14,15,16, e aprendizado motor e aquisição de habilidades17,18. As noções biomecânicas e fisiológicas combinadas de movimentos cíclicos permitem o uso do “equilíbrio de poder”, uma abordagem de modelagem que foi inicialmente introduzida por Van Ingen Schenau19 para patinação de velocidade e ciclismo, e posteriormente introduzida na mobilidade manual de rodas8,20,21. A Figura 1 mostra um diagrama de equilíbrio de energia para propulsão manual de cadeira de rodas. Ele converge de uma seleção de fatores determinantes de desempenho crítico para a combinação do usuário de cadeira de rodas e seus três componentes centrais (a cadeira de rodas, o usuário e sua interface), no lado esquerdo para o layout de denominadores e equações (bio)mecânica e fisiológica.

A saída de energia é um parâmetro de resultado importante nos contextos do esporte e do cotidiano, onde o pico de potência pode representar tanto o aumento do desempenho nos esportes adaptados quanto a facilidade de funcionamento durante as atividades no dia a dia22. Além disso, em combinação com o consumo de energia, pode ser usado para avaliar o desempenho em termos de eficiência mecânica bruta17,18,23 (ou seja, onde um indivíduo mais qualificado exigiria menos energia interna para produzir a mesma quantidade de potência externa). Do ponto de vista experimental, a saída de energia é um parâmetro que precisa ser fortemente controlado durante um teste, pois as mudanças na produção de energia são de influência direta em todos os resultados de desempenho, como tempo de empurrão, tempo de recuperação24e eficiência mecânica25. Consequentemente, controlar e relatar a produção de energia é essencial para todos os estudos relacionados à propulsão manual de cadeira de rodas.

O teste terrestre é o padrão-ouro em termos de validade (ou seja, inércia, atrito de ar, fluxo óptico e movimento dinâmico)26, mas a padronização da saída externa de energia, velocidade e condições ambientais associadas é muito mais difícil, e a repetibilidade ao longo do tempo sofre. Estudos relacionados a cadeirantes começaram na década de1960, 27,28 e se concentraram na variedade física da mobilidade de rodas. Embora cruciais na interpretação e compreensão de dados8,20,as noções sobre a produção de energia externa foram limitadas à observação do custo metabólico interno ao realizar diferentes atividades em diferentes superfícies. Atualmente, as rodas de medição podem ser usadas para medir a saída de energia29,30 e os testes de costa31,32 podem ser realizados para inferir as perdas de atrito durante a propulsão e, assim, a saída de energia.

Diferentes tecnologias de laboratório foram desenvolvidas para testes de exercícios específicos para cadeirantes33,que vão desde uma infinidade de ergomímetros até marcas de esteiras de tamanho diferente e de marcas de esteiras. As esteiras são consideradas mais próximas dos testes terrestres em termos de validade34 e têm sido usadas desde a década de 1960 para testes de exercício em cadeira de rodas35,36. Antes dos testes, a inclinação e a velocidade da esteira devem ser verificadas regularmente. Mesmo esteiras da mesma marca e make podem diferir consideravelmente e mudar em seu comportamento ao longo do tempo37. Para a determinação da saída de energia externa, um teste de arrasto20,36 é usado para o total de rolagem e força de arrasto interna38. O sensor de força para o teste de arrasto também tem que ser calibrado periodicamente. Para a individualização experimental do protocolo em termos de carga externa global de rodas ao longo do tempo e entre os sujeitos, um sistema de polia(Figura 2) foi projetado como uma alternativa para os gradientes dependentes de inclinação anteriores de carga36.

Outra alternativa para testes padronizados de exercícios em cadeira de rodas foi o uso de erômetros estacionários33, desde soluções simples de ergometro fora da prateleira39 para ergomedidores altamente especializados baseados em computador e instrumentados40. Muito poucos estão disponíveis comercialmente. A enorme diversidade na tecnologia errômetro e características mecânicas introduz grandes graus desconhecidos de variabilidade entre os resultados do teste33. Ergomômetros e cadeiras de rodas precisam ser conectados ou inerentemente fundidos pelo design. O atrito aéreo não está presente e a inércia percebida limita-se à inércia simulada sobre as rodas, e movimento experimentado no porta-malas, cabeça e braços durante a propulsão, enquanto o usuário cadeirante está essencialmente parado. O erômetro permite testes sprint ou anaeróbico, bem como testes isométricos, se as rodas puderem ser adequadamente bloqueadas.

É apresentada uma metodologia básica para pesquisa de mobilidade manual em estudos de laboratório. Além disso, uma breve perspectiva sobre a metodologia de pesquisa em cadeira de rodas baseada em campo e seus potenciais resultados são fornecidas. O foco central é controlar e medir a saída de energia externa (W) em experimentos de campo e laboratório. A determinação da saída interna de energia através da espirometria também é adicionada, pois isso é frequentemente usado para determinar a eficiência mecânica bruta. Além da implementação de boas práticas, o objetivo é produzir discussões sobre padronização experimental e intercâmbio internacional de informações. O presente estudo abordará principalmente a propulsão de cadeira de rodas handrim e a medida dela, porque é a forma mais proeminente de mobilidade manual na literatura científica. No entanto, as noções discutidas abaixo são igualmente válidas para outros mecanismos de propulsão para cadeirantes (por exemplo, alavancas, manivelas41).

O protocolo atual descreve a padronização e medição da saída de energia durante testes terrestres, esteiras e cadeirantes durante propulsão de estado estável a 1,11 m/s. Como exemplo, o atrito será determinado primeiro em testes terrestres com um teste de costa baixa. Utilizando essa estimativa de atrito, as saídas de energia serão definidas nos testes de esteira e erômetro utilizando protocolos disponíveis da literatura de pesquisa. Para testes de esteira, o atrito será determinado com um teste de arrasto, e a saída de energia será ajustada usando um sistema de polia. Para os testes de erômetro, um erômetro controlado pelo computador é usado para combinar a saída externa de energia com o teste terrestre.

Protocol

Este estudo foi aprovado pelo Comitê De Ética (Comitê Ético de Ciências do Movimento Humano) do Centro Médico Universitário Groningen. Todos os participantes assinaram consentimento informado por escrito. 1. Projeto de estudo e configuração Instrua o participante e obtenha consentimento informado em consonância com o Comitê De Ética da instituição. Determine a prontidão para a atividade física dos participantes realizando uma avaliação de linha de base com o Questionário de Prontidão da Atividade Física42,43. Realizar a triagem interna com um médico. Decida sobre uma saída de potência fixa para todos os participantes (por exemplo, 10-20 W a 1,11 m/s), uma saída de potência relativa (por exemplo, 0,25 W/kg de peso corporal a 1,11 m/s) ou uma saída de potência individual “realista” baseada em uma superfície de interesse (com base em um teste de costa para baixo). Permita que o participante se familiarize com as condições de overground, esteira e erergômetro antes do teste. Verifique a pressão dos pneus e a mecânica geral da cadeira de rodas antes de cada medição e inflar os pneus para 600 kPa, se necessário.NOTA: Para obter desfechos válidos de estado estável para o trabalho cardiopulmonar da carroceria superior e eficiência mecânica bruta (ME), deve-se aderir a uma duração mínima de 3 min por submáxima (capacidade de exercício de até 70% de pico) para alcançar exercício de estado estável com uma relação de troca respiratória inferior a 144,45. Especialmente na propulsão handrim, a velocidade da cadeira de rodas deve permanecer dentro de uma faixa confortável ou viável (0,56-2,0 m/s) para excluir problemas de controle motor46,47,48, o que significa que os incrementos de energia são preferencialmente controlados por incrementos de resistência. 2. Saída de energia externa durante testes em solo Realize o teste de costa para baixo na superfície de interesse. Posicione o participante em uma posição ativa e o mais padronizado possível: pés no apoio ao pé, mãos na volta e olhando para frente (a posição deve ser reflexo da posição durante a propulsão).NOTA: Todo movimento muda o centro da massa, o que muda a resistência ao rolamento. Acelere a cadeira de rodas para uma alta velocidade.NOTA: Isso também pode ser feito pelo participante. Deixe a cadeira de rodas desacelerar para uma paralisação completa sem interferência. Registre os dados de tempo e velocidade durante a desaceleração (por exemplo, com rodas de medição ou unidades de medição inerciais). Veja as seções 2.4.1 e 2.4.2. Registre dados usando rodas de medição. Substitua as rodas da cadeira de rodas por uma roda de medição e o boneco inercial (Tabela de Materiais),de preferência enquanto o participante não estiver na cadeira de rodas.NOTA: Este exemplo é para a roda OptiPush. Outras rodas podem ter diferentes requisitos de calibração. Ligue a roda de medição usando o interruptor ligado/desligado. Ligue o laptop com o receptor Bluetooth USB e o software associado. Abra o software no computador. Conecte a roda com o software selecionando a porta de comunicação correta (COM). Se a porta COM correta não aparecer na lista, pressione a atualização para atualizar a lista e tente novamente. Pressione a seguir. Preencha os campos necessários na tela de configuração do cliente. Pressione a seguir.NOTA: Preste atenção especial às configurações do Tamanho da Roda e do Lado da Roda. Coletar dados de deslocamento pressionando Iniciar a configuração da roda e girar lentamente a roda sem tocar no handrim até que o círculo vermelho se torne verde. Alternativamente, pressione Skip para pular esta etapa se o procedimento já tiver sido realizado desde a última instalação da roda. Pressione a seguir. Para coletar dados pressione o Record na tela de Coleta de Dados. Retome o protocolo regular de costa para baixo daqui em diante.NOTA: Os scripts para análise dos dados das rodas de medição estão disponíveis no Material Complementar 1. Registre os dados utilizando unidades de medição inerciais (IMUs). Anexar as IMUs(Tabela de Materiais)à cadeira de rodas: uma em cada central de roda e outra no centro abaixo do assento. Escreva qual IMU está anexado onde e em que orientação para referência posterior. Ligue as IMUs e conecte as IMUs ao computador usando o Gerenciador de Rede Sincronizada NGIMU executável. Para coletar dados, vá para ferramentas,depois selecione Data Loggere pressione Start. Retome o protocolo regular de costa para baixo daqui em diante.NOTA: Os scripts para análise dos dados do IMU estão disponíveis no Material Complementar 2. Repita o procedimento de costa baixa (2.1-2.4) e colete dados de ida e volta para reduzir a influência de superfícies irregulares. Abra o software coast_down_test em um computador. Pressione os dados de importação para importar o arquivo de dados para baixo da costa (roda de medição ou IMU). Selecione seções de costa para baixo nos dados usando o controle deslizante no gráfico à direita e pressionando a seleção grab. Coloque o participante e o peso da cadeira de rodas na seção Configurações. Pressione Calcular resultados. Anote o atrito médio (N) e o coeficiente de atrito rolando. Pressione exportar para salvar todos os dados (meta)para referência posterior.NOTA: Quando o atrito constante não pode ser assumido devido ao arrasto aéreo (ou seja, na maioria dos ambientes esportivos) a análise se torna um pouco mais complexa. O protocolo é idêntico, mas a velocidade inicial deve ser provavelmente maior. Neste caso, uma equação diferencial não linear precisa ser resolvida e essa equação precisa ser adequada com um montador de curva (por exemplo, Levenberg-Marquardt)49.Nesta equação está a velocidade instantânea e é a velocidade inicial no início da desaceleração. reflete o atrito dependente da velocidade e reflete o atrito independente de velocidade (). Os scripts para análise dos testes de litoral estão disponíveis no Material Complementar 3 e a interface gráfica do usuário (GUI) para análise de testes de litoral utilizados na etapa 2.7 está disponível no Material Complementar 4. 3. Saída de energia externa durante testes de esteira Caracterização da esteira Meça a velocidade do cinto da esteira carregada com um tacômetro calibrado para determinar qual configuração da esteira precisa ser usada (por exemplo, para 1,11 m/s a esteira precisa ser definida para 4,1 km/h no visor em vez de 4,0 km/h).NOTA: Alternativamente, determine a velocidade da correia medindo o comprimento da correia e contando dez rotações enquanto registra o tempo com uma câmera de cronômetro/vídeo. Meça os ângulos da esteira usando um sensor de ângulo. Verifique se há consistência repetindo as medidas e verifique se há histerese repetindo as medidas em ordem descendente.NOTA: Verifique a velocidade da esteira com um tacômetro e ângulos com um sensor de ângulo durante cada medição se sua confiabilidade for baixa. Teste de arrasto: calibração Ligue a fonte de alimentação do sensor de força de teste de arrasto pelo menos 30 min antes da calibração. Suspenda o transdutor da força verticalmente e se alinha com um sensor laser ou ângulo auto-nivelador. Configure o computador de teste de arrasto e conecte o sensor de força com o computador. Abra o software ADA3 no computador de teste de arrasto e pressione o sensor de força Calibrate. Anexar pesos conhecidos (calibrados) (1-10 kg com incrementos de 1 kg) ao sensor e registrar os valores digitais. Encaixe uma equação de regressão linear para determinar a relação entre carga aplicada e tensão medida, continuando no software ADA3. Repita (3.2.1-3.2.5) se o erro quadrado médio raiz (RMSE) exceder 0,13 N37. Realizando um teste de arrasto Ligue a fonte de alimentação pelo menos 30 min antes de medir. Configure o computador de teste de arrasto e conecte o sensor de força com o computador. Abra o software ADA3 no computador de teste de arrasto e pressione as medidas da tabela power. Coloque a combinação de cadeirantena na esteira. Posicione o participante em uma posição ativa e o mais padronizado possível: pés no apoio ao pé, mãos na volta e olhando para frente (a posição deve ser reflexo da posição durante a propulsão). Instrua o participante a manter a mesma posição durante todo o teste. Meça a compensação da célula de carga gravando força sem corda anexada usando o software ADA3. Pressione bem. Conecte a cadeira de rodas ao transdutor da força com uma corda leve. Certifique-se de que a célula de carga e a corda estejam horizontalmente alinhadas com o eixo da roda traseira da cadeira de rodas. Acelere o cinto até a velocidade desejada, neste caso 1,11 m/s (4,1 km/h em exibição). Aumente a inclinação da esteira, espere até que a posição da esteira e combinação de cadeirade cadeirante seja estável, e registre a força e o ângulo. Repita para 10 ângulos cada vez mais íngremes (1,5-6% em incrementos de 0,5%). Encaixe uma regressão linear usando o ângulo e a força usando o software ADA3 clicando no Next. Calcule a força no ângulo zero da esteira.NOTA: A interceptação da equação de regressão não pode ser usada se o ângulo da esteira tiver uma compensação. Repita o teste de arrasto (3.3.3-3.8) se o RMSE da linha de regressão linear exceder 0,5 N37. Definindo a saída de energia em uma esteira Calcule a saída de energia desejada e determine a velocidade de teste.NOTA: Para o protocolo atual, isso equivale aos resultados obtidos na etapa 2.7. Calcule o peso necessário da polia subtraindo o atrito do teste de arrasto (a partir da etapa 3.3.8) do atrito alvo (a partir da etapa 2.7). Posicione a polia na frente ou atrás da esteira e certifique-se de que está centrada. Amarre a polia na cadeira de rodas e certifique-se de que a corda está nivelada. Instrua o participante de que o peso na polia pode mover a cadeira de rodas. Conecte o peso (geralmente entre 0-1 kg) ao sistema de polia usando uma cesta de massa baixa conhecida e um carabina. Aumente lentamente o peso, se necessário, até que a saída de potência desejada seja alcançada.NOTA: Alternativamente, mude a saída de potência alterando o ângulo da esteira com base na mesa de alimentação de um teste de arrasto. 4. Saída de energia externa durante testes baseados em erômetros Ligue o erômetro pelo menos 30 min antes de medir. Inicie o software associado no computador. Pressione o widget participante, depois pressione Adicionar…. Dê ao participante uma iD e digite o peso corporal do participante. Pressione bem. Pressione o ícone da cadeira de rodas no menu Dispositivo. Preencha as especificações da cadeira de rodas no formulário. Pressione bem.NOTA: A variável de peso corporal é importante, pois influenciará a simulação fornecida pelo ergometro. Pressione o widget de protocolo. Crie um protocolo personalizado selecionando Adicionar…. Selecione Protocolo Personalizado e pressione em seguida. Dê ao protocolo um nome apropriado e pressione criar. Selecione Etapas e clique em Adicionar Palco e Resistência. Defina a resistência ao coeficiente de atrito obtido com o teste de costa para baixo na seção 2. Defina a velocidade do alvo a 4 km/h e pressione OK (Figura 3). Configure a tela do participante. Remova todos os widgets da tela. Clique em Adicionar widget e selecione o widget de direção cadeirante e arraste-o para a tela(Figura 4). Alinhe a cadeira de rodas nos rolos usando o sistema de alinhamento. Aperte a cadeira de rodas usando o sistema de quatro correias. Verifique se as rodas não estão tocando o erômetro e estão devidamente alinhadas. Posicione o participante em uma posição ativa e o mais padronizado possível: pés no apoio ao pé, mãos na volta e olhando para frente (a posição deve ser reflexo da posição durante a propulsão). Instrua o participante a manter a mesma posição durante todo o teste. Calibrar o erômetro com o software associado pressionando o botão Crosshair no menu device e pressione a calibração iniciar.NOTA: Os scripts para análise dos dados do erômetro estão disponíveis no Material Suplementar 5. 5. Estimativas internas da saída de energia durante propulsão de cadeira de rodas Ligue o espiômetro por pelo menos 45 min antes de quaisquer calibrações ou testes. Calibrar o espiômetro de acordo com as diretrizes da fábrica usando o software associado, incluindo calibrações para turbina, gás de referência, ar de quarto e atraso.NOTA: As calibrações de ar e gás de referência devem ser realizadas antes de cada teste. Realize uma calibração da turbina. Pressione a Turbina no menu de calibração. Conecte a turbina com um leitor optoeletrônico ao espiômetro. Conecte a seringa de calibração com um volume conhecido à turbina. Quando a unidade estiver pronta, realize seis traçados controlados e completos com o pistão. Pressione o ícone de Saída. Realize uma calibração de gás de referência. Pressione o gás referência no menu de calibração. Conecte o regulador de pressão ao cilindro de calibração com uma concentração conhecida de gás misto.NOTA: O cilindro deve estar aberto, mas o regulador de pressão deve ser fechado. Conecte a linha amostral ao conector amostral do espiômetro e deixe a outra extremidade desconectada. Deixe o espiômetro dar descarga nos analisadores. Certifique-se de que a linha de amostragem está longe de qualquer gás expirado. Quando solicitado pelo espiômetro, conecte a extremidade livre da linha de amostragem ao regulador de pressão no cilindro de calibração e abra o regulador. Saia com o ícone Saída após o término da calibração. Faça uma calibração de ar na sala. Conecte a linha amostral ao conector amostral no espiômetro e deixe a outra extremidade livre. Saia com o ícone Saída após o término da calibração. Realize uma calibração de atraso. Conecte a turbina ao leitor optoeletrônico e conecte o tubo de amostragem. Certifique-se de que ambos estão conectados ao espirômetro. Sincronize a respiração com o sinal acústico. Isso pode ser realizado pelo operador.NOTA: Este procedimento precisa ser repetido toda vez que um tubo de amostragem é alterado. Limpe ou troque a máscara usada para este procedimento antes de dá-la ao participante. Saia com o ícone Saída após o término da calibração. Coloque a máscara de espirômetro no participante. Ajuste as faixas elásticas na tampa da cabeça para criar uma vedação apertada em torno do rosto do sujeito.NOTA: Conecte opcionalmente um monitor de frequência cardíaca ao espirômetro e deixe o participante usar o cinto de frequência cardíaca. Fixar a mangueira do espiômetro para que não interfira no movimento. Teste de imprensa, em seguida, digite um novo assunto na exibição do espiômetro. Para testes de exercícios submáximos, escolha o modo respiração por respiração. Para começar a gravar pressione a tecla Record no espirômetro.NOTA: Os scripts para análise dos dados do espiômetro estão disponíveis no Material Complementar 6. 6. Procedimento de teste Instrua o participante a realizar 4 min de exercício de estado estável na velocidade desejada (1,11 m/s). Instrua o participante a usar o feedback de velocidade para ficar (em média) na velocidade desejada.NOTA: A velocidade pode ser mostrada a partir da roda de medição ou das IMUs de seus respectivos laptops em condições de overground. Os laptops possuem alças de gancho e loop que permitem fixação nas pernas. Instrua o participante a ficar (em média) no centro da esteira para a condição da esteira. Instrua o participante a olhar para a velocidade e o feedback de título na tela do erômetro na condição de erômetro e mantê-lo (em média) dentro do intervalo de destino. Inicie um cronômetro e o espiômetro (passo 5.6) ao mesmo tempo.NOTA: Isso pode ser feito sem um gatilho externo, pois a diferença de tempo do início urgente é insignificante ao usar espirometria do sopro por respiração. Depois dos 30 anos, inicie a propulsão em cadeira de rodas.NOTA: Para as condições da esteira e errômetro isso implica iniciar a esteira ou erômetro. Ao utilizar uma roda de medição (passo 2.4.1.8) ou IMUs (passo 2.4.2.3) também as inicie. Use o botão de volta em condições de solo para marcar os cantos da pista. Após mais 4 min durante a prova, sem aviso prévio, instrua o participante a parar de empurrar a cadeira de rodas.NOTA: Na condição da esteira, alguns empurrões adicionais são necessários antes que o cinto pare.

Representative Results

Usando o procedimento supracitado, a saída de energia foi determinada para 17 participantes familiares (duas sessões de 30 minutos de prática) com um teste de costa terrestre terrestre (média de cinco ensaios). O perfil de costa para baixo foi caracterizado com uma roda de medição em um corredor hospitalar suave. Posteriormente, os participantes foram medidos durante o solo (circuito de 25,0 x 9,0 m), esteira (2,0 x 1,2 m) e propulsão de cadeira de rodas ergometer. A saída de energia nas modalidades esteira e erômetro foi combinada com a condição de overground utilizando os protocolos descritos neste artigo. A saída de potência foi obtida a partir da mesma roda de medição durante três blocos de 4 min de propulsão para cadeirantes após um bloco de familiarização de igual comprimento. Apenas o último minuto de cada bloco foi usado para análise, assumindo propulsão de estado estável. Para os dados de propulsão terrestre, apenas as longas retas (25 m) foram usadas. Todos os dados (pré-)processamento foram realizados no Python 3.7 (Python Software Foundation). As estimativas da ICC e seus intervalos de confiança de 95% foram calculados em R 3.3.4 (R Core Team), utilizando um modelo de efeitos aleatórios de classificação única, de acordo absoluto. O peso médio combinado do sistema de cadeira de rodas foi de 92,6 kg (± 8,3). A média esperada de saída de energia do teste de costa para baixo foi de 9,7 W (± 1,6). A saída de potência calculada a partir da roda de medição foi menor para o overground 8,1 W (± 1,4), esteira de 7,8 W (± 1,9) e ergometro 8,7 W (± 2,2) propulsão para cadeira de rodas. A diferença média entre a saída de potência alvo e a saída de potência medida foi de -1,6 (± 1,6), -1,8 (± 1,4), -1,0 (± 1,0) W para propulsão terrestre, esteira e erômetro, respectivamente. Esses resultados também são mostrados na Tabela 1, Figura 5e Figura 6. A saída de energia para propulsão terrestre mostrou um acordo de baixa a moderada (ICC: 0,38, IC: 0,00-0,73) com a saída-alvo. Em contrapartida, a propulsão da esteira mostrou-se de mau para o bem (ICC: 0,45, IC: 0,00-0,79) e propulsão ergômetro mostrou-se ruim para excelente (ICC: 0,77, IC: 0,11-0,93) acordo. O erro absoluto foi negativamente correlacionado com a saída de potência para propulsão no erômetro (r = -0,55, p = 0,02), mas não para as outras duas condições (overground: r = 0,47, p = 0,06; esteira: r = 0,22, p = 0,40). O acordo entre as condições foi de baixa a moderada (ICC: 0,49, IC: 0,20-0,74). A confiabilidade dentro da modalidade (entre os três blocos de 4 min) foi boa para excelente para o overground (ICC: 0,91, CI: 0,82-0,97) e esteira (ICC: 0,97, IC: 0,93-0,99) propulsão e moderada a excelente para propulsão ergômetro (ICC: 0,97, IC: 0,71-0,99). O erômetro parecia ter pior desempenho ao longo do tempo, o que foi confirmado por uma aNOVA de medidas repetidas (F(2, 32) = 64,7 , p < 0,01), mas não houve efeito de tempo para o overground (F(2, 32) = 0,9 , p = 0,418) e esteira (F(2, 32) = 0,9 , p = 0,402). Figura 1: Equilíbrio de energia aplicado à propulsão manual de cadeira de rodas. Pout: saída de potência externa (W); ME: eficiência mecânica bruta (%); F: força de resistência média; V: velocidade de costa média; A: trabalho por empurrão ou ciclo (J); fr: frequência de empurrões ou ciclos (1/s); Pint: perdas internas (W); Arp : resistência aerodinâmica (W); RoloP : atrito de rolamento (W); Pincl: perdas devido à inclinação (W). Este número é reimpresso de van der Woude et al.20. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor. Figura 2: Configuração da esteira. Esquerda: Configuração de polia para aumentar a saída de energia externa em uma esteira durante a propulsão. Certo: Arraste a configuração do teste para medir as forças de atrito durante a propulsão da cadeira de rodas. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor. Figura 3: Janela de configurações do protocolo para o erômetro da cadeira de rodas. A saída de potência pode ser definida escolhendo uma saída de potência e uma velocidade de destino ou um atrito de rolamento e uma velocidade de destino. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor. Figura 4: Feedback sobre o erômetro da cadeira de rodas na forma de um enredo de linha. Velocidades de rolo esquerda e direita são traçadas. Os participantes devem tentar manter uma velocidade constante enquanto vão em linha reta (mantendo a linha na tela horizontal). Os dados de velocidade são suavizados com uma janela deslizante que pode ser alterada nas configurações. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor. Figura 5: Distribuições relativas e absolutas de diferença entre atrito costeiro e saída de energia medida durante o solo (OG), esteira (TM) e propulsão de cadeira de rodas ergometer (WE). Os bigodes mostram 1,5x na faixa interquartil. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor. Figura 6: Bland-Altman enredo para atrito costa-down e saída de energia medida durante o solo (esquerda), esteira (meio) e erômetro (direita) propulsão cadeirante. As linhas pontilhadas cinza escura indicam a média agrupada para uma combinação e as linhas pontilhadas vermelhas são os desvios padrão médio + 1,96. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor. Valor de dois lados (W)2 Diferença com o alvo Diferença com meta (%) Diferença com alvo (abdômen) Acordo com o PO alvo (ICC)3 Confiabilidade entre blocos (ICC)3 Meta PO1 9,68 (± 1,57) N.a N.a N.a. N.a N.a. PO terrestre 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)* PO da esteira 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)* Ergometer PO 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. Calculado a partir de atrito de costa para baixo. 2. Determinado com roda de medição. 3. Acordo de duas vias, acordo absoluto, taxas fixas com intervalos de confiança de 95%. * p < 0,001. Tabela 1: Comparação da saída de potência definida e saída de potência real medida com uma roda de medição. Fatores Resistência ao rolamento Massa corporal ↑ ↑ Massa de cadeira de rodas ↑ ↑ Pressão dos pneus ◗ ↑ Tamanho da roda ↑ ↓ Piso de dureza ◗ ↑ Ângulo camber ↑ ? Dedo do e-mail/out ↑ ↑↑ Castor shimmy ↑ ↑ Centro de massa sobre rodas traseiras ↓ Quadro dobrável ↑ Manutenção ◗ ↑ Tabela 2: Fatores que influenciam o atrito e a saída de energia durante a propulsão manual da cadeira de rodas. Esta tabela é reimpressa de van der Woude et al.8. Material Suplementar 1. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar). Material Suplementar 2. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar). Material Suplementar 3. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar). Material Suplementar 4. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar). Material Suplementar 5. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar). Material Suplementar 6. Clique aqui para ver este arquivo (Clique certo para baixar).

Discussion

Nas seções anteriores foi apresentada uma metodologia acessível para determinar e padronizar a saída de energia para diferentes modalidades de laboratório. Além disso, foi feita uma comparação entre a saída de potência definida e a saída de energia medida durante a propulsão de estado estável. Embora o erro sistemático estivesse presente, bem como alguma variabilidade, as ferramentas apresentadas são melhores do que a alternativa: não padronizar em tudo. Esses resultados são semelhantes a outro estudo que relatou a saída de energia medida e definiu a saída de energia50. Além disso, o acordo entre as condições foi de baixa a moderada, indicando que deve ser dada atenção extra ao comparar estudos utilizando diferentes modalidades. Como esperado, a condição ergômetro apresentou o ambiente mais fácil de padronizar a perspectiva do operador. O erômetro teve melhor desempenho nas configurações de atrito elevado. Os blocos (3 x 4 min) dentro de uma modalidade apresentaram um acordo bom a excelente e moderado-a-excelente. Curiosamente, o erômetro teve pior desempenho com o tempo, possivelmente devido à deriva do sensor. Portanto, pode ser prudente recalibrar o erômetro entre cada bloco. Observe que esses resultados são para exercícios de estado estável de baixa intensidade e podem diferir para diferentes protocolos.

Pequenas alterações mecânicas ou ergonômicas na combinação do usuário de cadeira de rodas podem ter um grande impacto nos resultados experimentais12,51. A manutenção do material e a plena consciência dos princípios mecânicos dos veículos são essenciais para os resultados de desempenho e a validade do experimento. A mecânica do veículo (por exemplo, massa, tamanhos de roda, tipo de pneu e pressão, alinhamento) e ajuste (por exemplo, posição de dianteiro, centro de massa, massa, plano frontal) de combinação de cadeirantes determinará o rolamento e o arrasto de ar em combinação com as condições ambientais. A massa e a orientação do centro de massa afetarão o arrasto rolando em relação às rodas traseiras maiores e às rodas de mamona menores na frente. Um resumo dos fatores que influenciam o atrito é apresentado na Tabela 2. Além disso, a cadeira de rodas é muitas vezes individualizada. Além das condições de intervenção (por exemplo, mecânica ou interface do veículo) em cada teste, as condições da cadeira de rodas também devem ser constantes e sua mecânica veicular, incluindo quadro, assento e pneus devem ser verificados. Os pneus precisam estar em uma pressão fixa sobre os testes e entre os indivíduos. Pontos de verificação importantes52 são possíveis pontos de atrito, posição de roda traseira e possíveis mudanças no alinhamento das rodas36,53,54,55.

Os testes terrestres também exigem tecnologia ambulante para cada um dos indicadores para tensão cardiopulmonar, cinética ou desfechos cinéticos. Isso pode ser cumprido, mas a praticidade de medidas complexas é limitada em um ambiente de não pesquisa. Os testes de costa são específicos para a combinação individual do usuário de cadeira de rodas e da superfície de rolamento. No entanto, eles são estáticos, então eles podem não capturar todas as características da combinação de usuário cadeirante56. Eles são especialmente sensíveis às mudanças no centro da massa, o que pode explicar as pequenas diferenças entre o teste de costa para baixo e a saída de energia terrestre medida. Essas limitações também são encontradas no teste de arrasto e calibração ergômetro, que também assumem uma posição estática do usuário cadeirante.

O teste de arrasto mede as forças de resistência de rolamento e arrasto interno de cada combinação individual de usuário de cadeira de rodas. É claramente sensível à mecânica veicular da cadeira de rodas, mas também posição e orientação corporal do usuário. Um procedimento padronizado é essencialde 20,36, onde em uma velocidade constante de cinto, a combinação usuário-cadeirante é puxada sobre o cinto sendo conectado a um transdutor de força calibrado unidimensional no quadro da esteira em uma série de ângulos de inclinação(Figura 2). É necessário um adaptador de esteira para células de carga que podem ser ajustadas à altura do eixo central da cadeira de rodas. O uso da análise de regressão linear fornece uma estimativa estática da força de arrasto média no cinto da esteira com inclinação zero para uma determinada combinação de usuário de cadeira de rodas, que fornece a saída externa média de potência com o produto da velocidade do cinto e força de arrasto. O teste de arrasto é robusto no que diz respeito a pequenas diferenças na execução do teste por diferentes operadores (por exemplo, posição da corda)37.

Embora às vezes assumisse um teste aparentemente simples, cada um dos elementos de teste do teste de arrasto requer compreensão da teoria subjacente e treinamento em todos os detalhes dos procedimentos8. Semelhante ao teste de costa baixa, este teste é especialmente sensível às mudanças no centro da massa. Além disso, o comportamento e a sensibilidade dos transdutores de força baseados em medidor de cepa, sua calibração consistente (ou seja, precisão dos pesos de calibração,sequênciade montagem) 20,36,37,bem como qualquer um dos procedimentos do teste de arrasto que são sensíveis a mudanças na velocidade ou ângulo de inclinação da esteira todos devem ser considerados. Isso significa que a esteira em si precisa ser verificada e calibrada também37. A consciência consistente de tais fenômenos geradores de ruído deve ser rastreada e executada na experimentação cotidiana.

A precisão das simulações baseadas na saída de energia e seus resultados dependem plenamente da padronização, prática e treinamento daqueles que conduzem os experimentos. A diversidade de esteiras, ergomômetros ou qualquer outro dispositivo acionado eletronicamente pode ser um problema, como mostrado por De Groot et al.51. Em troca de dados baseados na população, deve-se estar ciente do papel potencial dessas diferenças nos resultados dos testes. Em qualquer experimento de cadeira de rodas, deve-se apresentar uma explicação adequada das condições de teste e apresentação aberta dos valores reais para velocidade, resistência e saída de energia para qualquer subgrupo ou condição de medição.

Na experimentação em cadeira de rodas, a heterogeneidade da amostra de teste é difícil de escapar quando se concentra nos cadeirantes reais. Entre elas, as pessoas com lesão medular estão mais frequentemente sujeitas a pesquisas, porque tendem a ter uma lesão medular estável para o resto de suas vidas. Nível de lesão, completude, sexo, idade, talento e status de treinamento determinam a heterogeneidade desses grupos de estudo57. Aumentar o número de participantes através da colaboração multicêntrea é uma forma importante de contornar isso e aumentar o poder da experimentação57, mesmo nos estágios iniciais da reabilitação10. Este artigo é, esperançosamente, um trampolim para uma ampla discussão sobre experiências em cadeiras de rodas em comunidades de reabilitação e esportes adaptativos que, esperançosamente, leva à colaboração internacional e ao intercâmbio de conhecimento através das redes existentes e novas de pesquisadores. A disponibilidade de infraestrutura de testes adequada permite monitoramento e avaliação consistentes do progresso na reabilitação clínica, esportes adaptativos e além.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

A preparação deste manuscrito foi apoiada financeiramente por uma subvenção da Samenwerkingsverband Noord-Nederland (OPSNN0109) e foi co-financiada pelo subsídio PPP do Top consortia para Conhecimento e Inovação do Ministério dos Assuntos Econômicos.

Materials

'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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de Klerk, R., Vegter, R. J. K., Leving, M. T., de Groot, S., Veeger, D. H. E. J., van der Woude, L. H. V. Determining and Controlling External Power Output During Regular Handrim Wheelchair Propulsion. J. Vis. Exp. (156), e60492, doi:10.3791/60492 (2020).
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