向劍鋒 李之俊

1浙江師范大學(xué)體育與健康科學(xué)學(xué)院（金華321004） 2上海體育科學(xué)研究所

運(yùn)動(dòng)能耗監(jiān)測(cè)有利于科學(xué)指導(dǎo)日常健身，對(duì)預(yù)防和治療肥胖、糖尿病等慢性疾病有重要作用。在眾多能耗監(jiān)測(cè)方法中，直接測(cè)熱法、雙標(biāo)水法和氣體代謝法等的精確性很高，但在全民健身中的實(shí)用性較差。加速度傳感器、心率計(jì)等方法便捷性好，但普及仍有困難。步行是最普遍的運(yùn)動(dòng)方式之一，如何便捷、有效地監(jiān)測(cè)步行能耗仍是有待解決的問題。日常步行中人們主要通過調(diào)節(jié)步頻來(lái)調(diào)節(jié)速度，因此可通過步頻間接推算能耗，目前僅Marshall［1］、Tudor-Locke［2］和戴劍松［3］等學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。為驗(yàn)證以步頻推算步行能耗的可行性，本研究以加速度傳感器監(jiān)測(cè)步行中的步頻，以氣體代謝法同步監(jiān)測(cè)能耗，分析步頻與能耗的關(guān)系，建立并驗(yàn)證以步頻為自變量的步行能耗預(yù)測(cè)公式，為全民健身的科學(xué)開展提供客觀依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以76名非體育專業(yè)大學(xué)生作為研究對(duì)象，隨機(jī)劃分為實(shí)驗(yàn)組和驗(yàn)證組，表1顯示兩組受試者身高、體重和BMI均無(wú)顯著性差異（P>0.05）。所有受試者均簽署了知情同意書，自愿參加本研究。研究期間受試者身體健康。

表1 受試者基本情況

1.2 測(cè)試方法

通過同步監(jiān)測(cè)5檔速度步行時(shí)的步頻和能耗，分析步頻與能耗的關(guān)系。采用美國(guó)Manufacturing Technology Inc公司生產(chǎn)的Actigraph GT3X三維加速度傳感器（簡(jiǎn)稱GT3X）監(jiān)測(cè)步頻，Actigraph系列加速度計(jì)可準(zhǔn)確記錄不同速度步行時(shí)的步頻，其信效度已得到驗(yàn)證［4］。

采用意大利COSMED公司生產(chǎn)的Cosmed K4b2氣體代謝能耗分析儀 （簡(jiǎn)稱K4b2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能耗，K4b2可即時(shí)監(jiān)測(cè)每一次呼吸中的O2、CO2等數(shù)據(jù)并計(jì)算能耗。由于受試者測(cè)試時(shí)背負(fù)的儀器總重量約為1kg，為保證能耗測(cè)試的客觀性，在K4b2中輸入的體重為“原始體重＋1kg”［5］。考慮到體重等因素可能對(duì)步頻與能耗的關(guān)系產(chǎn)生較大影響，本研究未使用kcal、kJ等絕對(duì)能耗單位，而采用相對(duì)能耗的表達(dá)方式MET。

測(cè)試時(shí)，首先測(cè)量受試者身高、體重，隨后佩戴GT3X和K4b2，統(tǒng)一用彈性腰帶將GT3X固定在右側(cè)髖部、肚臍水平高度，并熟悉實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)，通過儀器的預(yù)測(cè)試，然后開始正式測(cè)試。實(shí)驗(yàn)組按順序以3.2 km/h、4 km/h、4.8 km/h、5.6 km/h和6.4 km/h共5檔速度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，每檔速度運(yùn)動(dòng)6 min。本項(xiàng)測(cè)試在上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成。

驗(yàn)證組受試者盡量以平日的步行速度，在體育館內(nèi)進(jìn)行勻速慢走和中速走各6 min。測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員看準(zhǔn)電腦時(shí)間中某分鐘的第一秒按壓K4b2主機(jī)上的 “Enter”鍵開始正式測(cè)試，以確保GT3X和K4b2的監(jiān)測(cè)時(shí)間與電腦時(shí)間保持同步（每分鐘誤差不超過1s）。測(cè)試前將GT3X的采樣時(shí)間設(shè)置為5s，測(cè)試后將K4b2和GT3X測(cè)得的原始數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為“1 min”采樣頻率的數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS15.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。建立公式時(shí)，取各檔速度運(yùn)動(dòng)中第4 min～6 min數(shù)據(jù)的均值分析步頻和能耗，以Pearson相關(guān)法分析不同指標(biāo)之間的相關(guān)性，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析各指標(biāo)的性別差異和組間差異，采用線性回歸法建立步行能耗預(yù)測(cè)公式。驗(yàn)證公式時(shí)，采用配對(duì)t檢驗(yàn)和Altman-Bland圖形分析驗(yàn)證組能耗預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的一致性。以驗(yàn)證組兩種步速下第4 min～6 min每分鐘的數(shù)據(jù)，采用接受者工作特征曲線（ROC曲線）驗(yàn)證若以3METs能耗為標(biāo)準(zhǔn)步行時(shí)，公式推算的對(duì)應(yīng)步頻值的能耗判別的有效性。顯著性水平定為P <0.05。

2 結(jié)果

2.1 步行能耗預(yù)測(cè)公式的建立

隨著速度的增加，實(shí)驗(yàn)組步頻和能耗都逐漸增加，相同速度男、女生之間步頻和能耗均無(wú)顯著性差異（P>0.05），見表2和圖1。Pearson相關(guān)分析顯示，實(shí)驗(yàn)組步頻與MET的相關(guān)系數(shù) （r）為0.792（P< 0.01）。以步頻為自變量建立的步行能耗預(yù)測(cè)公式為：METs＝0.076×步頻－4.8。該公式判別系數(shù) （r2）為0.627，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤（SEE）為0.585METs。

表2 實(shí)驗(yàn)組不同速度步行的步頻和能耗

圖1 實(shí)驗(yàn)組步頻與能耗散點(diǎn)圖

2.2 步行能耗預(yù)測(cè)公式的驗(yàn)證

經(jīng)Pearson相關(guān)分析和配對(duì)t檢驗(yàn)分析可知，該公式對(duì)驗(yàn)證組的能耗預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.765，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值無(wú)顯著性差異（P>0.05），見表3。

表3 驗(yàn)證組慢走和中速走時(shí)的步頻和能耗

Altman-Bland圖（圖2）顯示，能耗公式的預(yù)測(cè)誤差均值接近0，絕大多數(shù)預(yù)測(cè)誤差均在95%置信區(qū)間內(nèi)，80%以上的預(yù)測(cè)誤差低于0.3METs。

圖2 公式預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的Altman-Bland圖

2.3 以3METs能耗為標(biāo)準(zhǔn)步行時(shí)對(duì)應(yīng)步頻參考值的驗(yàn)證

國(guó)際上通常將3METs設(shè)置為判別中、低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的能耗參考值，根據(jù)前面建立的公式，推算出3METs步行對(duì)應(yīng)的步頻值為103步/min。ROC曲線法（receiver operating characteristic curve）分析顯示：以步頻為自變量判別中、低強(qiáng)度步行的曲線下面積（AUC）為0.71，103步/min的步頻對(duì)中等強(qiáng)度步行的判別靈敏度為0.733，特異性為0.806，見圖3和表4。

圖3 步頻判別中、低強(qiáng)度步行的ROC曲線圖

表4 采用103步/min的步頻預(yù)測(cè)步行能耗與實(shí)測(cè)步行能耗的對(duì)比（例）

3 討論

以往研究主要以步行速度推算能耗，但性別、步幅等因素會(huì)影響速度與能耗的關(guān)系［6］。本研究旨在較全面地分析步行中步頻與能耗的關(guān)系，所選用的5檔運(yùn)動(dòng)速度基本涵蓋了從慢走到快走的步速。實(shí)驗(yàn)使用的K4b2和GT3X分別可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)能耗和步頻，確保了研究結(jié)果的有效性，數(shù)據(jù)處理采用MET這一相對(duì)能耗的表達(dá)方式，有利于排除體重等個(gè)體因素對(duì)能耗推算的影響［2-7］。如果要另外推算運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)能耗，只需采用公式［kcal/min＝METs×3.5×體重（kg）/200］進(jìn)行換算即可［8］。本研究結(jié)果顯示，步行中的步頻與能耗有中度相關(guān)性（r＝0.792，P<0.01），提示步頻可較好反映步行能耗。Marshall［1］也曾以4.8 km/h、6.4 km/h和9.7 km/h的速度研究走/跑中步頻與能耗的關(guān)系，結(jié)果顯示，男、女步頻與能耗相關(guān)系數(shù)分別為0.95和0.87，這一高度相關(guān)結(jié)果可能與該研究中步速跨度較大有關(guān)，其有效性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

為深入分析以步頻推算步行能耗的可行性，本研究建立了以步頻為自變量的步行能耗預(yù)測(cè)公式，公式的判別系數(shù)為0.627，提示步頻可解釋步行能耗中62.7%的變異性。經(jīng)驗(yàn)證，公式的誤差較低，公式的能耗預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性和一致性程度較高，可見公式的效度較高。有學(xué)者曾以身高、體重、步頻和步行時(shí)間為自變量建立步行能耗（kcal）預(yù)測(cè)公式，而本研究所建公式以步頻為單一自變量，以相對(duì)能耗（MET）為因變量，有利于更便捷、科學(xué)地指導(dǎo)日常健身［3］。

本研究所建公式效度較高，采用該公式推導(dǎo)步行需要消耗能量（MET）對(duì)應(yīng)的步頻，在步行健身中具有一定指導(dǎo)價(jià)值。如，美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)建議成年人每天進(jìn)行至少30 min中等以上強(qiáng)度（≥3METs）運(yùn)動(dòng)鍛煉［8］。根據(jù)本研究所建公式推導(dǎo)3METs對(duì)應(yīng)的步頻值為103步/min。經(jīng)ROC曲線分析驗(yàn)證，在慢走和中速走時(shí)，以步頻判別中、低強(qiáng)度步行的AUC為0.71，提示步頻對(duì)步行強(qiáng)度有中等判別價(jià)值［9］。以103步/min步頻對(duì)中、低強(qiáng)度步行的判別敏感度和特異性達(dá)到中等水平，公式的效度得到了驗(yàn)證。Marshall等［1］和Tudor-Locke等［2］曾采用線性回歸法、ROC曲線法等建立了20余個(gè)3METs強(qiáng)度步行的步頻參考值，大部分在100步/min～110步/min范圍內(nèi)，與本研究公式推算的103步/min相似。綜上，建議步行健身中的步頻需達(dá)到103步/min。

值得注意的是，本實(shí)驗(yàn)僅探討了勻速步行時(shí)步頻與能耗的關(guān)系，但日常的步行速度會(huì)有一定波動(dòng)，本研究所建能耗預(yù)測(cè)公式是否適用于速度變化較大的步行，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證?？紤]到身體形態(tài)、體重、年齡等對(duì)步頻與能耗的關(guān)系有一定影響，因此本研究所建公式在肥胖、中老年等人群中的有效性也還需確認(rèn)。此外，調(diào)整步速時(shí)每一個(gè)體的步頻調(diào)整程度有別，步頻與能耗的關(guān)系也存在個(gè)體差異性，這一特點(diǎn)與心率相似。為避免這種個(gè)體差異性帶來(lái)的預(yù)測(cè)誤差，今后的研究可采用氣體代謝法等精確方法建立以步頻為自變量的個(gè)體能耗預(yù)測(cè)公式來(lái)監(jiān)測(cè)步行中的能耗。

4 總結(jié)

步行中步頻與能耗中度相關(guān)，步頻可作為步行能耗監(jiān)測(cè)的有效指標(biāo)，可以采用公式“METs＝0.076×步頻－4.8”推算步行健身中的能量消耗。

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