朱 琳，陳佩杰

體力活動對于人體健康具有長效影響，通過監(jiān)測人群的體力活動水平，可以對慢性疾病的發(fā)展及預防的衛(wèi)生干預措施的實施所產(chǎn)生的影響進行評估。運動加速度計這種評估手段能夠提供體力活動的頻率、持續(xù)時間和強度等客觀數(shù)據(jù)，同時，因其具有小巧輕便、可在不干擾被試正常生活的條件下記錄身體運動等優(yōu)點，被廣泛應用于各年齡人群的日常體力活動的監(jiān)測。國外已有學者運用ROC曲線法建立了適用于成年人和兒童等人群的，基于運動加速度計的活動計數(shù)（activity count，以下簡稱AC）最佳臨界值［17，19］，目前，國內(nèi)鮮見針對于兒童青少年的不同運動強度的AC臨界值的相關(guān)報道。兒童青少年體力活動往往是零星的和不規(guī)律的活動，其體力活動的能量消耗（METs）會隨著年齡的變化而變化，因此，以兒童青少年為研究對象的研究應該按不同年齡組進行，但這需要研究的樣本量大到足夠可以分離不同的年齡，或者將研究重點集中在一個有限的年齡區(qū)間［9］。本研究在分析青春期少年（11～14歲）AC特點的基礎(chǔ)上，應用受試者工作特征曲線（Receiver Operator Characteristic curve，簡稱ROC曲線）建立青春期少年AC的最佳臨界值，以期為今后準確地指導我國青春期少年日常健身活動和評價其日常體力活動水平提供可能。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

研究樣本包括80名年齡在11歲～14歲區(qū)間的初中生（平均年齡12.97±0.95歲），該研究樣本年齡分布均勻，以1歲為一個年齡段，每個年齡段20人，男、女數(shù)量均衡。所有參加者均身體健康，沒有參與過系統(tǒng)的運動訓練。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗方案

受試者同步佩戴三軸運動加速度計ActiGraph GT3X（以下簡稱GT3X）和Cosmed K4b2（以下簡稱 K4b2），并依次完成靜息能耗測試（20～30min，要求餐后2h以上）、第三套全國中學生廣播體操（舞動青春）、1min盡力跳繩和3～8km／h跑臺遞增走、跑運動（要求每級速度運動5 min，中間無休息，并在餐后1h后進行）等9種常見體力活動的測試。其中，跑臺遞增走、跑運動中3km／h為慢走、4 km／h為輕松步行、5km／h為正常步行、6km／h為快步走、7km／h為慢跑、8km／h為快跑。

1.2.2 GT3X三軸運動加速度計

GT3X （Actigraph LLC，F(xiàn)ort Walton Beach，F(xiàn)L ）是一款輕便的三軸運動加速度計，重27g，尺寸為3.8cm＊3.7 cm＊1.8cm，采樣頻率0.25Hz～2.5Hz。GT3X可以佩戴在腕、腰（臀）、踝等部位，能夠提供AC、運動能耗、步數(shù)、身體姿勢等多個身體活動數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)收集后，可以通過GT3X自帶數(shù)據(jù)分析軟件 ActiLife 5（ActiGraph R＆D and Software Departments）設(shè)置濾過數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)段落，GT3X的加速度濾過信號是數(shù)字化的、修正的，可根據(jù)使用者確定的時間間隔來整合數(shù)據(jù)，在每個間隔結(jié)束時，總計數(shù)值或是“AC”被貯存并綜合設(shè)置。GT3X可以根據(jù)研究需要選擇不同的采樣頻率，并可自由選擇單軸、雙軸或三軸測試方式。

本研究采用60s時間間隔采樣模式，三軸測試方式。在每個實驗開始前，GT3X依據(jù)制造商的說明書被初始化，實驗時，通過彈性腰帶將GT3X固定在受試者右腋窩中點和髂嵴水平線的交界處［20］。

1.2.3 K4b2便攜式氣體代謝分析儀

K4b2（Cosmed，Rome，Italy）是一種便攜式氣體代謝分析儀（重925g），利用間接測熱原理設(shè)計，通過背帶固定在受試者的軀干上，不會限制受試者自由活動。儀器配置的柔軟面罩（Hans Rudolf，Kansas City，MO）由尼龍頭帶固定，覆蓋在受試者的鼻子和嘴的地方，面罩連接到一個雙向數(shù)字渦輪流量計測量吸氣和呼氣的空氣量，運行在渦輪和分析裝置之間的采樣線通過呼出氣體測定氧氣和二氧化碳的含量，K4b2已被證實可以有效測量成人和兒童青少年運動強度范圍的攝氧量［20，13，16］。實驗過程嚴格按照操作手冊進行。

1.2.4 數(shù)據(jù)提取和簡化

每天測試后通過GT3X和K4b2的自帶軟件下載數(shù)據(jù)，并導出生成Excel電子表格，提取GT3X原始數(shù)據(jù)ACxis1、ACxis2、ACxis3（counts／min）和 K4b2原始數(shù)據(jù)VO2（ml／min）。向量大?。╒ector Magnitude，VM）分別通過2個公式計算［18］，VM2＝（＋A）1／2，反映人體在矢狀面運動情況；VM3＝（＋＋）1／2，VM3可綜合反應3個軸的活動，反映人體在空間運動的情況。

靜息耗氧量選取測試第16～20min數(shù)據(jù)分析，第1～15min作為受試者放松和調(diào)整測試儀器K4b2的平衡期；廣播體操、跳繩選擇整個運動過程的AC數(shù)據(jù)進行分析；跳繩耗氧量＝（運動時氧消耗量＋恢復期氧消耗量＊恢復時間）／運動時間［1］；跑臺走、跑運動選取每級運動的后2 min的數(shù)據(jù)，第1～3min作為平衡期［6，9］。跳繩恢復或穩(wěn)態(tài)的獲得通過HR和VO2的值來確定，對于HR和VO2的寬容度分別是±5BPM（beast per minute）和±10%。代謝當量（METs）＝運動耗氧量／靜息耗氧量［6，9，20］。

1.2.5 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理

2 研究結(jié)果

2.1 常見運動項目AC的分析

GT3X三軸加速度計通過3個軸（Axis1、Axis2、Axis3）來采集數(shù)據(jù)，Axis1為垂直軸（vertical，VT）；Axis2為矢狀軸（antero-posterior，AP）；Axis3為額狀軸（medio-lateral，ML）。

表1和圖1顯示，除3km／h走為 ACxis2＞ ACxis1＞ACxis3以外，其他活動項目均為ACxis1＞ ACxis2＞ ACxis3；不同運動項目中跳繩ACxis1最高；走、跑項目中隨著速度的增加ACxis1不斷增加，其垂直方向活動所占的比重也不斷增加；走、跑切換過程中，即6km／h和7km／h的變換間，垂直軸AC出現(xiàn)一個突變點，跑的項目ACxis1大幅增加，而ACxis2反而減小；走、跑運動中，ACxis2大于ACxis3，但在廣播操和跳繩運動中兩者變化趨勢基本一致，額狀軸的AC在各種速度的步行運動中基本沒有變化；各運動項目中，ACxis1、VM2和VM3的變化趨勢基本一致。

表1 本研究不同活動項目活動計數(shù)一覽表Table 1 Analysis on Activity Count of Different Physical Activity （，counts／min）

表1 本研究不同活動項目活動計數(shù)一覽表Table 1 Analysis on Activity Count of Different Physical Activity （，counts／min）

活動項目Physical Activity垂直軸活動計數(shù)ACxis1矢狀軸活動計數(shù)ACxis2額狀軸活動計數(shù)ACxis3兩軸向量幅值VM2三軸向量幅值VM3廣播操broadcast gymnastics 2813.1±746.2 1900.4±480.7 1778.0±625.3 3411.0±823.8 3865.0±962.1跳繩rope skipping 12600.0±2715.0 3184.3±1236.6 3241.0±1593.013010.0±2725.013510.0±2686.03km／h走 854.6±515.4 1429.2±490.9 658.7±556.2 1735.0±515.9 1923.0±564.74km／h走 1966.6±611.1 1757.5±509.7 604.3±483.8 2690.0±589.7 2794.0±614.95km／h走 3148.9±678.7 2138.3±579.0 672.1±444.1 3847.0±693.9 3928.0±705.46km／h走 4182.9±783.3 2598.2±682.0 796.4±500.0 4963.0±833.1 5051.0±828.07km／h跑 6825.1±1416.0 2096.8±742.7 1271.0±781.9 7184.0±1384.8 7335.0±1392.48km／h跑 7454.7±1392.0 2392.3±840.6 1513.0±848.6 7778.0±1621.5 8065.0±1374.3

圖1 本研究不同活動項目AC、VM2、VM3折線圖Figure 1.Graph on AC，VM2and VM3of Different Physical Activity

2.2 不同運動強度AC臨界點的研究

表2顯示，不同運動強度下，ROC曲線下面積在0.708～0.890（P＜0.001），敏感度為0.732～0.914，誤判率為0.071～0.431，說明運用 AC，即 ACxis1、VM2和 VM3對于確定運動強度分類具有一定的診斷價值，可以較為準確地診斷不同運動強度水平。

從表2可知，3METs、6METs和9METs對應的垂直軸 AC最佳臨界點為2151counts／min、3761counts／min和3783counts／min；VM2AC最佳臨界點為4935counts／min、6009counts／min和6169counts／min；VM3AC最佳臨界 點 為 9600counts／min、9900counts／min 和10296 counts／min。不同運動強度對應的ACxis1、VM2和 VM3的ROC曲線見圖2～圖4。

3 分析與討論

3.1 運動項目AC特點

運動加速度計是根據(jù)牛頓力學定律，測量出身體加速度絕對值的積分，通過測量身體活動的持續(xù)時間和強度對機體能耗量進行評估，提供了身體活動的一種客觀評估方法。因感受身體運動方向的不同，運動加速計分為單軸運動加速度計、雙軸運動加速度計和三軸運動加速度計。加速度傳感器對體力活動的測量結(jié)果以AC的形式表示，代表了加速度的大小和多少的總和。目前，GT3X三軸運動加速度計已被廣泛用于包括兒童和青少年在內(nèi)的各年齡人群的體力活動監(jiān)測的研究中，并具有良好的效度［7］。

表2 本研究不同運動強度的ROC曲線下面積和活動計數(shù)最佳臨界點一覽表Table 2 Area under the Curve of ROC and the Best Cut-off Point of Activity Count on Different Exercise Intensity

圖2 本研究小、中、大強度運動對應的ACxis1的ROC曲線圖Figure 2.ROC Curve of ACxis1on Light，Moderate，Large Physical Activity

圖3 本研究小、中、大強度運動對應的VM2的ROC曲線圖Figure 3.ROC Curve of VM2on Light，Moderate，Large Physical Activity

圖4 本研究小、中、大強度運動對應的VM3的ROC曲線圖Figure 4.ROC Curve of VM3on Light，Moderate，Large Physical Activity

本研究發(fā)現(xiàn)，不同活動項目中垂直軸活動始終占優(yōu)勢，而且這種優(yōu)勢會隨著運動速度和活動幅度的增加而增加。Bramble等人［12］也證實，人在行走時，在垂直方向上重心的位置相對平穩(wěn)，而在奔跑的過程中，重心在垂直方向起伏較行走時增大；國內(nèi)、外學者［5，10］的研究也證實，垂直軸在軀干位移的幅度和速度較大的體力活動項目中占更多的優(yōu)勢。

本研究還發(fā)現(xiàn)，額狀軸隨著速度的增加AC不斷增加，但在走的活動中變化幅度非常少，出現(xiàn)平臺期，這一方面說明人體在走的過程中身體晃動不大，穩(wěn)定性較好，另一方面也提示額狀軸無法充分感知運動信息，也無法預測身體活動姿勢或運動能耗。矢狀軸活動在走的運動項目中隨著速度的增加而增加，但6km／h速度后隨著速度增加AC卻下降。這一研究結(jié)果與Sasaki等人［18］的研究基本一致，他們在跑臺上進行的4.8km／h、6.4km／h、9.7km／h、12km／h速度的運動中發(fā)現(xiàn)，GT3X矢狀軸在6.4km／h速度后隨著速度增加AC下降，額狀軸隨著速度的增加而增加。綜上所述，在各種活動中主要是垂直軸活動占優(yōu)勢，而額狀軸和矢狀軸活動不具有充分反映各種運動狀態(tài)的先決條件。在一些靜態(tài)的活動中，如看書、等車等以坐位或原地站立位為主的運動，垂直軸AC通常為0，而矢狀軸和額狀軸的AC通常大于0，因此，三軸加速度計在測量日常體力活動時要比單軸加速度計更具有優(yōu)勢。

3.2 不同運動強度的AC臨界點的有效性

國內(nèi)學者劉愛玲等人［4］和國外學者 Ekelund等人［14］以成年人或兒童為研究對象的研究顯示，單軸運動加速度計CSA （Computer Science and Application’s activity monitor）所獲得的AC與用雙標水法所獲得的TEE，AEE（AEE，Activity Energy Expenditure）和PAL有顯著聯(lián)系；有學者［18］曾對53個參與者在跑臺上進行了三軸加速度計GT3X的VT與單軸加速度計 GT1M 的 VT 在4.8km／h、6.4km／h、9.7km／h、12km／h速度下走、跑運動的比較，發(fā)現(xiàn)2種類型的加速度計的VT變化趨勢一致，無差異；同時也發(fā)現(xiàn)，在9.7km／h～12km／h的速度之間，VT基本沒有明顯變化，出現(xiàn)平臺期；GT3X的VM3隨著速度增加不斷增加，但在9.7km／h后出現(xiàn)平臺期，而GT3X的 VM2在9.7km／h后出現(xiàn)下降。同樣，有學者在類似的研究中也發(fā)現(xiàn)了運動加速度傳感器存在自身的缺陷，如King等人［15］和Brage等人［11］分別發(fā)現(xiàn)，單軸加速度計AC在超過9.7km／h和9 km／h等跑速的較高強度運動中，AC出現(xiàn)平臺期，盡管AC在低于這些跑速的運動中與能量消耗存在線性關(guān)系，但超過這些速度后這種線性關(guān)系慢慢消失，出現(xiàn)低估能耗的情況。換言之，當人體運動的速度太快時，運動加速度計的AC變得對運動不敏感，因此，就很難精確評價體力活動。然而在實際的日常生活中，人體的主要活動形式可歸為走、跑、跳，而走、跑是最為常見的活動形式，其中，極低速走或極高速的跑在日常生活中均少見［2］；同時，由于日?；顒哟怪陛S和水平面的活動情況較多，因此，運動加速度計特別是GT3X等三軸加速度計的綜合軸VM3在評價日常體力活動方面具有一定的優(yōu)勢，更能充分反映人體的運動狀態(tài)。在沒有條件選擇三軸運動加速度計時，雙軸和單軸加速度計所獲得的VM2和垂直軸的AC也可以較好地反映人體的運動狀態(tài)。

ROC曲線是通過判斷點（cutoff point／cutoff value）的移動，獲得多對靈敏度和誤判率，并以靈敏度為縱軸，以誤判率為橫軸，連接各點繪制曲線，然后計算曲線下的面積以確定判斷價值的方法。其中，靈敏度（sensitivity）就是把實際為真值的判斷為真值的概率；特異度（specificity）是把實際為假值的判斷為假值的概率；誤判率是把實際為假值的判斷為真值的概率，其值等于1-特異度。將繪成的曲線與斜45°的直線對比，若基本重合，說明自變量對因變量的判斷價值很差；若遠離斜45°的直線則表示曲線下的面積越大，說明自變量對因變量的判斷價值越好，即根據(jù)自變量可以較為正確的判斷因變量，也就是說面積越大，判斷價值越高。當AUC＜0.5表示根本無法準確診斷；AUC在0.5～0.7之間表示診斷準確性較低；AUC在0.7～0.9之間表示診斷準確性為中等［3］。本研究運用ROC曲線，分別以ACxis1、VM2和VM3為自變量，以MET為因變量確定不同運動強度的ACxis1、VM2和VM3的最佳臨界值。Trost等人［20］的實驗研究證實，加速度計的活動臨界點可用于有效估計機體每天參與的持續(xù)中度和劇烈運動的活動時間。本研究也顯示，運用AC可以準確區(qū)分不同活動強度的運動，其中ACxis1、VM2和VM3對區(qū)分大強度和劇烈活動的準確性最高（AUC∈［0.883，0.889］，P＜0.001）；其次是區(qū)別小強度活動和中等強度活動（AUC∈［0.823，0.832］，P＜0.001）；最低的是區(qū)別中等強度活動和大強度活動（AUC∈［0.708，0.722］，P＜0.001）。AC的最佳臨界值分別是小強度活動為ACxis1＜2151counts／min、VM2＜3761counts／min、VM3＜3783counts／min；中等強度為2151counts／min≤ACxis1＜4935counts／min，3761 counts／min≤VM2＜6009counts／min、3783counts／min≤VM3＜6169counts／min；大 強 度 為 4935counts／min≤ACxis1＜9600counts／min、6009counts／min≤VM2＜9900 counts／min、6169counts／min≤VM3＜10296counts／min；劇烈運動為 ACxis1≥9600counts／min、VM2≥9900counts／min、VM3≥10296counts／min；2個綜合軸的 AC臨界點差距不大，而VM3可以更準確地反映空間運動情況，因此，更為實用和準確。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同運動強度的AC最佳臨界點高于GT3X軟件自帶的兒童活動的最佳臨界點（ACxis1），同時，也高于Freedson成年人小強度和中等強度的AC最佳臨界點（VM3）。換言之，如果利用軟件中兒童的AC臨界點來監(jiān)測日常生活中不同體力活動的運動時間，將可能會高估不同強度的運動時間；而應用成年人的活動臨界點，將可能造成因高估低強度和中等強度活動的時間而低估了高強度活動的時間。造成這種誤差的原因:第一，這些AC臨界點的獲得往往是基于實驗室跑臺走、跑實驗；第二，不同年齡人群活動的運動生物力學差異可能導致活動記錄器計數(shù)間存在差異，而以往研究對象的年齡跨度往往較大。

綜上所述，本研究認為，通過成年人建立的不同運動強度的AC臨界點和僅通過走、跑運動建立的AC臨界點并不適用于我國青春期少年以及包括非走、跑活動的日常體力活動運動強度水平的區(qū)分。本研究是基于走、跑與非走、跑項目所獲得的AC最佳臨界值，更適用于青春期少年的日常體力活動的評估，同時，也為今后應用ROC曲線診斷不同人群的體力活動水平提供參考。

［1］陳吉棣.運動營養(yǎng)學［M］.北京:北京醫(yī)科大學出版社，2002:15.

［2］戴劍松，孫飆，沈洪兵.加速度傳感器測量體力活動的應用綜述［J］.中國運動醫(yī)學雜志，2009，28（6）:720-727.

［3］金丕煥主編.醫(yī)用統(tǒng)計方法［M］.上海:復旦大學出版社，2003:618.

［4］劉愛玲，李艷平，宋軍，等.加速度計對成人日常體力活動測量效度的研究［J］.中華流行病學雜志，2005，26（3）:197-200.

［5］向劍鋒.大學生體力活動檢測中運動傳感器能耗預測方程的建立與應用［D］.上海體育學院博士學位論文，2011.

［6］朱琳，陳佩杰，莊潔，等.12～14歲正常和肥胖男性青少年運動能耗的比較研究［J］.中國運動醫(yī)學雜志，2011，30（2）:166-169.

［7］朱琳，陳佩杰.能量消耗測量方法及其應用［J］.中國運動醫(yī)學雜志，2011，30（6）:577-582.

［8］AINSWORTH B E，HASKELL W L，WHITT M C，et al.Compendium of physical activities:an update of activity codes and MET intensities［J］.Med Sci Sports Exe，2000，32（9Suppl）:S498-S504.

［9］ARVIDSSON D，SlINDE F，LARSSON S，et al.Energy cost of physical activities in children:validation of SenseWear Armband［J］.Med Sci Sports Exe，2007，39（11）:2076-2084.

［10］BOUTEN C V，WESTERTERP K R，VERDUIN M，et al.Assessment of energy expenditure for physical activity using a triaxial accelerometer［J］.Med Sci Sports Exe，1994，26（12）:1516-1523.

［11］BRAGE S，WEDDERKOPP N，F(xiàn)RANKS P W，et al.Reexamination of validity and reliability of the CSA monitor in walking and running［J］.Med Sci Sports Exe，2003，35（8）:1447-1454.

［12］BRAMBLE D M，LIEBERMAN D E.Endurance running and the evolution of Homo［J］.Nature，2004，432（7015）:345-352.

［13］EISENMANN J C，BRISKO N，SHADRICK D，et al.Comparative analysis of the Cosmed Quark b2and K4b2gas analysis systems during submaximal exercise［J］.J Sports Med Phys Fitness，2003，43（2）:150-155.

［14］EKELUND U，SJOSTROM M，YNGVE A，et al.Physical activity assessed by activity monitor and doubly labeled water in children［J］.Med Sci Sports Exe，2001，33（2）:275-281.

［15］KING G A，TORRES N，POTTER C，et al.Comparison of activity monitors to estimate energy cost of treadmill exercise［J］.Med Sci Sports Exe，2004，36（7）:1244-1251.

［16］MCLAUGHLIN J E，KING G A，HOWLEY E T，et al.Validation of the COSMED K4b2portable metabolic system［J］.Int J Sports Med，2001，22（4）:280-284.

［17］SASAKI J E，JOHN D，F(xiàn)REEDSON P S.Calibration of the Actigraph GT3XActivity Monitor［C］.International Congress on Physical Activity and Public Health（ICPAPH），2010.

［18］SASAKI J E，JOHN D，F(xiàn)REEDSON P S.Validation and comparison of ActiGraph activity monitors［J］.J Sci Med Sport，2011，14（5）:411-416.

［19］TROST S G，LOPRINZI P D，MOORE R，et al.Comparison of Accelerometer Cut Points for Predicting Activity Intensity in Youth［J］.Med Sci Sports Exe，2010，43（7）:1360-1368.

［20］TROST S G，WAY R，OKELY A D.Predictive validity of three ActiGraph energy expenditure equations for children［J］.Med Sci Sports Exe，2006，38（2）:380-387.