通过可穿戴的髋关节外骨骼设备，进行一次性评估以测定心肺功能、下肢力量和核心力量

《Scientific Reports》：Single-session estimation of cardiorespiratory fitness, lower-limb strength, and core strength using a wearable hip-joint exoskeleton

　　

摘要

用于评估心肺功能和肌肉力量的实验室标准测试虽然有效，但需要专业设备和受过培训的人员，这限制了其在实际应用中的可扩展性。已经应用于锻炼和康复的可穿戴髋部外骨骼可以标准化短时间内的测试过程，同时捕捉运动学和生理信号，从而实现无需额外实验室设施的紧凑型“智能测试”来评估多方面的体能。在42名健康成年人的研究中，使用髋关节外骨骼进行单次训练后，通过心率和其他生理指标能够估算出以下三项指标：（i）心肺耐力（VO?max），（ii）下肢力量，以及（iii）核心力量。我们优先采用了简单的多元线性回归方法，并仅将多项式与LASSO结合的模型作为对比手段。验证方法包括：（i）将跑步机测得的VO?max与直接测量的VO?max在30名受试者中进行对比；（ii）将等长仰卧起坐的成绩与平板支撑时间相关联。统计一致性通过Bland-Altman分析进行评估。我们还引入了基于绝对百分位数加权的综合评分以及基于Pareto原理的排名方法。线性模型能够解释开发样本中这三个体能指标62%至88%的变异量（VO?max的R2值高达约0.88），样本内的Bland-Altman分析显示平均偏差可以忽略不计（VO?max的偏差为0.00 ml·kg?1·min?1；下肢力量的偏差为0.00 Load/BW；核心力量的偏差为0.00 Load/BW）。多项式与LASSO结合的模型并未比线性回归模型带来明显的改进。目标指标的一致性得到了验证（跑步机测得的VO?max与直接测量的VO?max之间的相关性为r = 0.92–0.94；仰卧起坐与平板支撑成绩之间的相关性为r ≈ 0.80，ρ ≈ 0.78）。三个指标之间的相关性也很强（r = 0.78–0.82）。通过自助法重新抽样（B = 1000）和高斯噪声扰动进一步检验了模型的稳定性。绝对综合评分反映了同性别同年龄组内的个体差异，而基于Pareto的排名则突出了各项体能指标的平衡表现。这些概念验证结果表明，通过简短的一次性训练协议，并利用简单的线性回归方法，外骨骼能够提供可靠且内部一致的多方面体能评估结果，支持将其作为现有外骨骼辅助训练中的结构化监测工具进行低成本的部署，等待进一步的外部验证。