A hybrid FES-motorized trike for elderly sport therapy: multiparametric EMG analysis and user experience assessment

Aging leads to a decline in muscle mass, balance, and neuromuscular function, increasing the risk of frailty and mobility impairments. Regular physical activity (PA) is crucial for preserving muscle strength, enhancing cardiovascular health, and maintaining independence in older adults. However, many older individuals struggle with exercise due to mobility limitations, chronic conditions and pain. Functional Electrical Stimulation (FES) has emerged as a promising tool to promote PA by inducing controlled muscle contractions through electrical impulses, helping to preserve muscle mass, improve circulation, and reduce spasticity even in individuals with limited voluntary movement. FES cycling, which combines electrical stimulation with cycling, offers a low-impact and accessible form of exercise that engages key muscle groups, enhances cardiovascular health, and supports neuromuscular coordination without stressing the joints, making it suitable for older adults. However FES-induced muscle fatigue often limits sustained engagement, reducing overall effectiveness. Hybrid FES systems, which integrate motor assistance, offer a solution by compensating for fatigue while promoting active engagement and improving exercise adherence. This study uses a hybrid FES-motorized trike, designed to enhance muscle activation, endurance, and neuromuscular coordination while ensuring a safe and engaging cycling experience for older adults. An experimental protocol involving 14 participants was conducted to evaluate the physiological effects and user experience of the system. Multiparametric electromyography (EMG) analysis assessed muscle activation patterns, fatigue progression, and coordination during assisted cycling. Results indicated that fatigue effects were moderate and did not significantly impact performance over time, suggesting that the workload required was appropriate for this population and that motor assistance effectively mitigated neuromuscular fatigue. Additionally, stable co-contraction and symmetry indices confirmed that the trike promotes coordinated and balanced pedalling. User experience assessments using TAM-3, SUS, UEQ, and NPS revealed high levels of acceptance and usability, with strong scores in ease of use, comfort, and perceived effectiveness. The System Usability Scale (SUS) score of 92.5/100 confirmed excellent usability, while the Technology Acceptance Model (TAM-3) yielded an acceptance score of 6.18/7, indicating strong perceived usefulness and ease of use. These findings support the hybrid FES-motorized trike as an effective intervention for promoting active aging and enabling safe, sustainable exercise for older adults.

L'invecchiamento comporta un declino della massa muscolare, dell’equilibrio e della funzione neuromuscolare, aumentando il rischio di fragilità e compromissione della mobilità. L’attività fisica regolare è fondamentale per preservare la forza muscolare, migliorare la salute cardiovascolare e mantenere l’indipendenza negli anziani. Tuttavia, molti anziani incontrano difficoltà nel praticare esercizio fisico a causa di limitazioni motorie, condizioni croniche e dolori. La Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) si è rivelata uno strumento promettente per promuovere l’attività fisica, inducendo contrazioni muscolari controllate tramite impulsi elettrici. Questa tecnica aiuta a preservare la massa muscolare, migliorare la circolazione e ridurre la spasticità, anche in soggetti con capacità di movimento volontario limitata. La FES-cycling, che combina la stimolazione elettrica con il ciclismo, rappresenta una forma di esercizio a basso impatto e facilmente accessibile. Questa pratica coinvolge i principali gruppi muscolari, migliora la salute cardiovascolare e favorisce la coordinazione neuromuscolare senza sovraccaricare le articolazioni, rendendola particolarmente adatta agli anziani. Tuttavia, l’affaticamento muscolare indotto dalla FES spesso limita la capacità di sostenere l’esercizio nel tempo, compromettendone l’efficacia complessiva. I sistemi FES ibridi, che integrano l’assistenza motorizzata, offrono una soluzione efficace, per compensare la fatica e favorire un coinvolgimento attivo, aumentando la durata e l'efficacia dell'esercizio. Questo studio ha utilizzato un trike ibrido motorizzato in combinazione con la FES, progettato per migliorare l’attivazione muscolare, la resistenza e la coordinazione neuromuscolare, garantendo al contempo un’esperienza di pedalata sicura e coinvolgente per gli anziani. È stato condotto un protocollo sperimentale con la partecipazione di 14 soggetti per valutare gli effetti fisiologici e l’esperienza utente di questo sistema. L’analisi elettromiografica (EMG) multiparametrica ha esaminato i modelli di attivazione muscolare, la progressione della fatica e la coordinazione durante il ciclismo assistito. I risultati hanno evidenziato che l’affaticamento muscolare era moderato e non ha influenzato significativamente le prestazioni nel tempo, suggerendo che il carico di lavoro fosse adeguato per questa popolazione e che l’assistenza motorizzata abbia contribuito a mitigare efficacemente l’affaticamento neuromuscolare. Inoltre, l'andamento stabile nel tempo degli indici di co-contrazione e simmetria ha confermato che il trike favorisce una pedalata coordinata e bilanciata. Le valutazioni dell’esperienza utente, condotte attraverso il TAM-3 (Technology Acceptance Model), il SUS (System Usability Scale), l’UEQ (User Experience Questionnaire) e il NPS (Net Promoter Score), hanno rivelato elevati livelli di accettazione e usabilità, con punteggi elevati in termini di facilità d’uso, comfort ed efficacia percepita. Il punteggio SUS di 92,5/100 ha confermato un’eccellente usabilità, mentre il TAM-3 ha registrato un punteggio di accettazione di 6,18/7, indicando una forte percezione di utilità e facilità d’uso. Questi risultati confermano che il trike ibrido motorizzato combinato con la FES rappresenta uno strumento efficace per promuovere un invecchiamento attivo e consentire un esercizio fisico sicuro e sostenibile per gli anziani.