管培培，丁寧煒，湯強(qiáng)，劉春輝

(1.淮安體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校，江蘇 淮安 223001;2.江蘇省體育科學(xué)研究所，江蘇 南京 210033;3.南京體育學(xué)院，江蘇 南京 210014)

雙標(biāo)水法(DLW)和間接熱測定法是準(zhǔn)確測定能量消耗(Energy Expenditure，EE)的“金標(biāo)準(zhǔn)”［1］，但是它們在測量人體自由條件下身體運(yùn)動(dòng)能耗時(shí)存在諸多挑戰(zhàn)。較為新穎的運(yùn)動(dòng)傳感器法為實(shí)驗(yàn)室提供了更好的選擇，其中三軸加速度計(jì)從物理學(xué)角度提供了對人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行客觀評價(jià)的新方法，也為構(gòu)建新型的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析和處理裝置提供了新思路［2］。

加速度計(jì)是通過壓電陶瓷產(chǎn)生形變轉(zhuǎn)化成電信號(hào)這一原理工作的。壓電陶瓷所產(chǎn)生的電壓信號(hào)，在被過濾和放大之后，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換。再通過不同的運(yùn)算法測和途徑轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的加速度計(jì)數(shù)(counts)［3］。counts 代表加速度絕對值的積分的復(fù)位次數(shù)，1min 內(nèi)積分的復(fù)位次數(shù)定為counts/min，即1min 內(nèi)身體活動(dòng)的頻率與強(qiáng)度［4］。盡管很多的體力活動(dòng)研究可以用原始的counts 來解釋，但是體力活動(dòng)強(qiáng)度最終量化需要將加速度采集的信息轉(zhuǎn)化為更加有價(jià)值或可以容易解釋的標(biāo)準(zhǔn)單位，這個(gè)過程稱為校準(zhǔn)［5］。例如通過與標(biāo)準(zhǔn)的間接熱測定法對比，獲取專門的方程，來推算產(chǎn)熱量、攝氧量(VO2)、METs 等，校準(zhǔn)方程的應(yīng)用可以改進(jìn)我們對counts 認(rèn)識(shí)與利用水平。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象及分組

共選取(20 ～26)歲普通健康受試者115 名，其中男57 人，女58 人，受試者按性別體重分為以下6 組:

A 組:男性 體重〈65kg

B 組:男性65≤〈體重〈75kg

C 組:男性 體重≥75kg

D 組:女性 體重〈55kg

E 組:女性55kg≤體重〈65kg

F 組:女性 體重≥65kg

表1 不同體重組受試者基本特征比較

表1 不同體重組受試者基本特征比較

注:不同體重組間橫向比較，除年齡外，其他身體指標(biāo)組間差異(P〈0.05) 。

男性 女性A(n=18) B(n=18) C(n=21)D(n=23) E(n=17) F(n=18)年齡(歲) 21.8±1.6 24.0±2.0 24.2±2.8 22.2±1.8 21.4±1.5 21.2±1.0身高(cm) 171.2±3.1 175.2±4.3 180.0±4.3 161.0±4.0 164.1±6.4 169.3±5.0 BM體I重(k(g k/m g)2 ) 62 00..88±±31..03 62 92..47±±21..71 82 35..17±±72..74 5119..17±±31..06 52 92..31±±21..89 72 15..50±±31..08去脂體重(kg) 53.6±2.5 59.6±3.8 68.0±4.2 40.0±4.0 43.6±4.1 49.5±2.8

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器及測試指標(biāo):

(1)國家標(biāo)準(zhǔn)身高體重儀。

(2)韓國BIOSPACE 生產(chǎn)的Inbody3.0 體成分分析儀。

(3)美國ActiGraph 公司生產(chǎn)的GT3X 三軸加速度計(jì):矢狀軸、冠狀軸、垂直軸上各自counts 以及合矢量Vector 的counts。

(4)Cortex－3B(德國)便攜式氣體代謝分析儀:能量消耗相關(guān)指標(biāo)VO2(l/min)、VO2(ml·kg－1·min－1)、METs、能耗(kcal/min)等。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用六級步速，選擇了由輕度漸增至高強(qiáng)度體力活動(dòng)的強(qiáng)度范圍。參照美國第十版 RDA(Recommended Dietary Allowance)中體力活動(dòng)的分級標(biāo)準(zhǔn)［6］，將 本 實(shí) 驗(yàn) 步 速 設(shè) 定 為4.8km/h、5.6km/h、6.4km/h步行和7.2km/h、8.0km/h、8.8km/h 慢跑。每級步速采用6min 運(yùn)動(dòng)測試參考Wasserman 等［7］(1994)有關(guān)特定負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中，人體代謝穩(wěn)定階段最早出現(xiàn)在4～6min，此時(shí)呼吸交換律、VO2、心率、MET 等各項(xiàng)代謝指標(biāo)趨于穩(wěn)定的研究結(jié)論。

測試前，每位受試者安靜休息約30min。然后佩戴Cortex－3B(德國)便攜式氣體代謝分析儀，ActiGraph GT3X 加速度計(jì)，加速度計(jì)佩戴于腋下中線與肚臍平行線相交處左右兩側(cè)，每側(cè)各一個(gè);要求受試者盡可能的以自然、放松、勻速的步態(tài)進(jìn)行測試。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS13.0 統(tǒng)計(jì)軟件，采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差對各變量進(jìn)行描述，運(yùn)用T 檢驗(yàn)和方差分析來比較不同性別、不同速度、不同體重組之間VO2和counts 變化特征。

運(yùn)用回歸分析和相關(guān)分析，比較失狀軸、冠狀軸、垂直軸的counts 以及合矢量counts 與能耗指標(biāo)相關(guān)性，提出能耗推算方程，并檢驗(yàn)其信效度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同步速下能耗與三維counts 變化的性別特征

表2 不同性別間能耗指標(biāo)的比較

表2 不同性別間能耗指標(biāo)的比較

注:相同步速下，不同性別間能耗指標(biāo)VO2、METs 的比較，*P〈0.05，＊＊P〈0.01。

步速VO2(ml·kg－1·min－1)METs(km/h)男 女 男 女4.8 13.54±2.21 13.55±2.16 3.92±0.63 3.91±0.68 5.6 16.01±2.35 16.20±2.12 4.64±0.71 4.67±0.69 6.4 19.28±2.92 19.33±2.98 5.53±0.80 5.55±0.84 7.2 29.17±4.36 27.34±2.77* 8.39±1.34 7.88±0.86*8.0 32.83±4.7930.44±2.83＊＊ 9.42±1.45 8.78±0.84＊＊8.8 36.53±5.4132.54±3.51＊＊ 10.4±1.58 9.34±1.04＊＊

表2 顯示，在4.8km/h、5.6km/h、6.4km/h 步速下，VO2和METs 不同性別間均無顯著性差異(P〉0.05)，這與Alex 等人［8－9］研究結(jié)論相似，在步行與日常中低強(qiáng)度的身體運(yùn)動(dòng)中能量消耗METs 沒有性別差異，可能是由于中低強(qiáng)度的負(fù)荷沒有給予機(jī)體充分的刺激，以致性別之間的差異觀測不到;當(dāng)步行轉(zhuǎn)變?yōu)槁埽剿僖?.2km/h、8.0km/h、8.8km/h 遞增時(shí)，性別間VO2、METs 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，男女METs 差值依次為0.51、0.64、1.1，呈逐漸遞增趨勢。

表3 不同性別間三維counts 比較

表3 不同性別間三維counts 比較

注:相同步速下，不同性別間三維counts 的比較，*P〈0.05，＊＊P〈0.01。

(

表3 描述不同性別間三維counts 的比較，結(jié)果顯示合矢量counts 在6 種不同步速下，性別間差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P〉0.05);垂直軸counts 性別間比較發(fā)現(xiàn)，男性顯著高于女性(P〈0.05)，隨著步速的增加，差異顯著性提高;矢狀軸counts 除6.4km/h 外，其余各速度男性與女性counts 均有極顯著性差異(P〈0.01);冠狀軸counts 性別間差異呈現(xiàn)不規(guī)律分布;女性矢狀軸、冠狀軸counts 感應(yīng)步速改變要更加明顯;在較高步速下慢跑，男性受試者垂直軸在合矢量counts中的貢獻(xiàn)率較高，相比之下，女性受試者在矢狀軸和冠狀軸counts 數(shù)值要高于男性，這可能與跑步中女性身體在水平面內(nèi)擺動(dòng)幅度較大及身高、下肢長度和步態(tài)有關(guān)。

2.2 不同步速能耗與counts 變化的體重組別特征

圖1 METs 與合矢量counts 的體重組別特

從圖1 不同體重組METs 值變化趨勢可以看出，較大體重組明顯偏低，接近標(biāo)準(zhǔn)體重人群的METs 值最高，這可能與大體重人群體脂含量較高，非脂體重比例偏小，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中相對能耗偏低有關(guān)［10］;經(jīng)T 檢驗(yàn)，不同體重組間合矢量counts 差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P〉0.05)，男性與女性隨體重增加counts 平均值變化趨勢不明顯;合矢量counts 與體重相關(guān)性較低，或可認(rèn)為合矢量counts 由體重解釋的部分較少，這為是否選取體重與合矢量counts 共同解釋能量消耗提供了依據(jù)。

2.3 其他身體指標(biāo)與能量消耗的相關(guān)性

表4 身體各指標(biāo)與能耗指標(biāo)的偏相關(guān)分析

表4 是在控制變量步速后，人體各身體指標(biāo)與METs 和能耗之間的相關(guān)性。由表可以看出，身高與去脂體重與MET 無顯著相關(guān)，體重、性別、BMI 都在0.2左右水平上顯著相關(guān)，而BMI 指標(biāo)綜合了體重與身高的因素，這為下文提出方程需要著重考慮BMI 提供了依據(jù)。

2.4 不同強(qiáng)度身體活動(dòng)counts/min 切點(diǎn)的界定

通過對115 名受試者采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析得如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 合矢量、單軸(垂直軸)counts 與METs 關(guān)系

關(guān)于體力METs 值劃分體力活動(dòng)等級，采用Bouchard 等［11］在評估兒童與成人體力活動(dòng)能量消耗的分級標(biāo)準(zhǔn)。

Freedson 等［12］在校準(zhǔn)單軸加速等計(jì)CSA(Computer Science and Applications)研究中，實(shí)驗(yàn)方案選取健康成年受試者50 人，在跑步機(jī)上采用4.8km/h、6.4km/h、9.7km/h 速度;Sasaki 等［13］研究認(rèn)為GT3X 合矢量counts切點(diǎn)為≤2491cnts/min、(2491 ～5944)cnts/min、(5945 ～10536)cnts/min、≥10537cnts/min。相對比本實(shí)驗(yàn)劃分的counts 范圍，國外早期研究在高強(qiáng)度、極高強(qiáng)度體力活動(dòng)counts 切點(diǎn)數(shù)值較大，這可能與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、選取人群、采樣間隔epoch、加速度計(jì)類型等有關(guān)。

表5 不同強(qiáng)度體力活動(dòng)counts 范圍推算

2.5 基于合矢量counts 能耗推算方程的建立

表6 不同步速下能耗指標(biāo)與合矢量counts 數(shù)值

表6 不同步速下能耗指標(biāo)與合矢量counts 數(shù)值

(k步m速/h)(ml·min VO－12·kg－1)METs(kc能al/耗min)(c合oun矢ts量/5s)4.8 13.78±1.89 3.94±0.54 4.34±0.79 312.8±59.5 5.6 16.30±2.06 4.66±0.59 5.17±0.88 387.4±72.5 6.4 19.64±2.79 5.62±0.80 6.25±1.09 437.8±87.1 7.2 28.58±4.08 8.16±1.17 9.11±1.95 650.2±120.4 8.0 31.84±4.20 9.10±1.20 10.12±2.07 702.1±122.2 8.8 34.67±5.06 9.91±1.45 11.06±2.38 734.1±126.9

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同步速的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)引起了加速度與能量消耗的變化，采用多重線性回歸分析，用逐步后退法建立回歸方程，并對各變量回歸系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，將身高、去脂體重、體重從自變量中逐一剔除，提出合矢量counts 與VO2(ml·kg－1·min－1)、METs、能耗(kcal·min－1)的線性回歸方程。

最終變量確定為合矢量(Vector)counts、性別、BMI，其中合矢量單位counts/5s，性別(男=1，女=0)，方程如下:

①VO2(ml·kg－1·min－1) =0.039×Vector+0.728×性別－0.51×BMI+14.188

(R2=0.747，SEE=4.34ml·kg－1·min－1，線性假設(shè)檢驗(yàn)F=649，P〈0.001)

②METs=0.011×Vector+0.212×性別－0.146×BMI+4.066

(R2=0.746，SEE=1.24METs，線性假設(shè)檢驗(yàn)F=646，P〈0.001)

③能耗(kcal/min)=0.13×Vector+1.193×性別+0.194×BMI－4.235(R2=0.792，SEE=1.36kcal/min，線性假設(shè)檢驗(yàn)F=836，P〈0.001)

經(jīng)線性假設(shè)檢驗(yàn)，三方程均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 討論與建議

評估身體運(yùn)動(dòng)有許多方法，其中三軸加速度計(jì)因其設(shè)計(jì)人性化、適用性強(qiáng)、精確、便攜、佩戴方便而備受重視。經(jīng)改進(jìn)量化的工具和方法有助于提高我們對身體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)水平，實(shí)驗(yàn)室研究需要探索整合能耗推算處理方法，提供更多具有實(shí)踐意義的工具應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

目前，國內(nèi)三軸加速度計(jì)運(yùn)用多數(shù)旨在探討兒童和肥胖人群體質(zhì)與體力活動(dòng)關(guān)系，能耗推算依照Freedson 等人提出的經(jīng)典回歸方程。方程校準(zhǔn)以歐美人群為主，應(yīng)用于國內(nèi)人群研究時(shí)，經(jīng)典回歸方程是否需要校準(zhǔn)和改良是目前三軸加速度計(jì)應(yīng)用中存在的主要問題。本研究以國內(nèi)人群為樣本，探索counts 與能耗指標(biāo)的關(guān)系，并提出相應(yīng)的推算方程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為國內(nèi)運(yùn)用三軸加速度計(jì)評估身體運(yùn)動(dòng)提供參考。

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