方春露 魏 源

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人體活動(dòng)時(shí)能量消耗的研究進(jìn)展*

方春露1魏 源2

(廣州體育學(xué)院1.研究生部；2.科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510000)

從早期能量消耗概念的界定到各種身體活動(dòng)方式能量消耗的精準(zhǔn)測(cè)量，客觀測(cè)量?jī)x經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的更新過(guò)程。采用文獻(xiàn)資料法從以下幾方面綜述人體活動(dòng)能量消耗的研究進(jìn)展：（1）能量消耗的測(cè)量手段；（2）對(duì)戴于人體不同部位的能量消耗測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量的效、信度檢驗(yàn)；（3）人體不同活動(dòng)方式能量消耗的共性和個(gè)性特征；（4）人體活動(dòng)能量消耗編碼表。此進(jìn)行的歸納與綜述為我們研究人體能量消耗提供了新的觀點(diǎn)和思路，進(jìn)而豐富和發(fā)展人體能量消耗生理學(xué)的理論模型。

人體活動(dòng)；能量消耗；加速計(jì)；有氧供能百分比

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)任意消失。能量在物體之間可以相互傳遞，在表現(xiàn)方式上可以相互轉(zhuǎn)換，化學(xué)能能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等。人體一切生命活動(dòng)均需要能量來(lái)維持，包括日常生活學(xué)習(xí)、體育鍛煉。人體活動(dòng)的本質(zhì)就是動(dòng)作行為和能量代謝，動(dòng)作行為既包括人體內(nèi)在物質(zhì)的微觀運(yùn)動(dòng)，又包括人體外在的宏觀活動(dòng)。能量代謝是動(dòng)作的內(nèi)在根源。1986年，意大利生理學(xué)家DiPrampero首次提出了人體能量消耗（Energy Cost）這個(gè)概念[1]，人體為了維持其基礎(chǔ)代謝、滿足食物特殊動(dòng)力作用和各種體力活動(dòng)而消耗體內(nèi)能量。眾多學(xué)者對(duì)人體具體的活動(dòng)方式及其所需要消耗的能量進(jìn)行了大量而又深入地研究。

1 能量消耗的測(cè)量手段

20世紀(jì)初，研究者常用行為觀察法、問(wèn)卷調(diào)查法，對(duì)受試者進(jìn)行觀察或是提問(wèn)，根據(jù)受試者的行為和回答從而推算人體的能量消耗，這整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)誤差極大，推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)效度和信度不高，不能客觀的反映人體的機(jī)能水平。

目前，社會(huì)高速發(fā)展，高科技產(chǎn)品日益更新，不同型號(hào)的人體能量消耗測(cè)試儀也隨著產(chǎn)生。各學(xué)科學(xué)者的科研方法層出不窮，人體能量消耗的客觀測(cè)量法逐漸被科研工作者廣泛運(yùn)用，其測(cè)量方法主要包括：直接熱量測(cè)定法 (direct calorimetry)、間接熱量測(cè)定法 (indirect calorimetry)、雙標(biāo)水法 (doubly labeled water,DLW)、運(yùn)動(dòng)傳感器。

1.1 直接熱量測(cè)定法、間接熱量測(cè)定法、雙標(biāo)水法

直接熱量測(cè)定法[2]是指根據(jù)能量守恒，通過(guò)測(cè)量身體向外界環(huán)境散發(fā)的熱量從而計(jì)算人體內(nèi)所耗能量的方法，此為公認(rèn)的、較準(zhǔn)確的能量消耗的測(cè)量法，但由于測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)、其構(gòu)造的復(fù)雜性，未能廣泛地推廣及應(yīng)用。間接熱量測(cè)定法[2]是指通過(guò)測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的氣體交換率，進(jìn)而預(yù)測(cè)身體所消耗的能量。其使用的裝置體積較大，僅位于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有限的活動(dòng)測(cè)量與研究分析，在日常生活中，未能對(duì)體力活動(dòng)進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià)。隨著生物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，20世紀(jì)80年代，人們提煉了雙標(biāo)水法，是[2]以穩(wěn)定的同位素標(biāo)記的 H2O，跟蹤穩(wěn)定同位素，通過(guò)穩(wěn)定性元素2H標(biāo)記水中的H，用重氧18O標(biāo)記水中和二氧化碳中的O ,利用元素守恒定律計(jì)算機(jī)體的能量代謝量，有研究表明其精確度為2 %～8 % ,準(zhǔn)確度為1%～3%[3]，曾被稱為“金標(biāo)準(zhǔn)”的測(cè)試手段。但測(cè)試價(jià)格昂貴，僅能反應(yīng)總能耗，從而雙標(biāo)水法未能廣泛運(yùn)用。

1.2 運(yùn)動(dòng)傳感器

運(yùn)動(dòng)傳感器主要包括計(jì)步器 (pedometer) 和加速計(jì)(accelerometer)。計(jì)步器由于其體積較小、價(jià)格較便宜，僅能計(jì)算步頻和步幅，無(wú)法顯示運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)方式，而且不能感應(yīng)身體無(wú)明顯位移的身體活動(dòng)，故只運(yùn)用于評(píng)估簡(jiǎn)單的身體活動(dòng)的能量消耗。加速計(jì)主要包括電容加速計(jì)、電壓加速計(jì)以及電阻加速計(jì)3種類型。已有研究表明：早期的電壓加速度計(jì)僅能跟蹤動(dòng)態(tài)變化，運(yùn)用現(xiàn)代的固態(tài)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字處理的過(guò)濾技術(shù)可以測(cè)定靜態(tài)加速度和評(píng)估身體姿勢(shì)[4]。從技術(shù)含量的角度來(lái)說(shuō)，新出產(chǎn)的加速度計(jì)內(nèi)在感應(yīng)結(jié)構(gòu)日益優(yōu)化，采用集成芯片，大大提高了能量監(jiān)控的信度和準(zhǔn)確度。通常加速傳感器聯(lián)合HR（如Actiheart）監(jiān)測(cè)人體的能耗。加速度計(jì)通常有單軸、雙軸和三軸3種型號(hào)，三軸加速度計(jì)不僅測(cè)試較為準(zhǔn)確，還型號(hào)、功能多樣，如RT3 (Stayhealthy,Inc.)、且AMP 331(Dynastream Innovations, Inc.)三軸加速計(jì)能夠清晰地分辨出身體靜止和活動(dòng)兩種狀態(tài)所消耗的能量.TracmorD(DirectLife,Philips Research, Eindhoven,The Netherlans )三軸加速計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)還注意被佩戴的舒適性。SenseWear Aemband ( BodyMedia Inc.)主要測(cè)量睡眠期間的能量消耗。Actical (Mini Metter Co.,Inc)可運(yùn)用于各個(gè)年齡段的人群，既可測(cè)能耗，又可統(tǒng)計(jì)步頻、步幅。TRITRAC - 3D是一款三維加速計(jì)，可同時(shí)記載人體三維空間（冠狀面、矢狀面以及水平面）的數(shù)據(jù)，能具體顯示身體活動(dòng)的方式、運(yùn)動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，較為精準(zhǔn)地評(píng)估能量消耗量。ActiGraph 加速度計(jì)產(chǎn)于美國(guó) Actigraph 公司，其中 GT3X、GT1M 、GT3X+型號(hào)已被廣泛應(yīng)用，在芬蘭兒童身體活動(dòng)研究中，Syv?oja[5]等人運(yùn)用 GT3X研究了靜態(tài)行為和學(xué)習(xí)成績(jī)的相關(guān)性。在歐洲青年人心血管研究中，Ried-Larsen[6]等人使用 GT3X 探究人體活動(dòng)強(qiáng)度和亞臨床動(dòng)脈粥樣硬化的相關(guān)系數(shù)。在澳大利，Gregory 和 Richard[7]等人通過(guò)GT3X 監(jiān)控中等強(qiáng)度以上的身體活動(dòng)。Kwon[8]等人運(yùn)用GT3X+加速度計(jì)測(cè)量身體活動(dòng)，分析不同人群肥胖的原因。國(guó)內(nèi)，朱琳、陳佩杰[9]使用 GT3X+ 監(jiān)測(cè)廣州高中生日常身體活動(dòng)情況。另外CALTRAC、CSA在科研中也被廣泛使用。

2 能量消耗測(cè)量?jī)x戴于人體不同部位測(cè)量的效、信度檢驗(yàn)

不同學(xué)者進(jìn)行課題研究中，對(duì)受試者佩戴能量消耗測(cè)量?jī)x的部位有所不同。其多數(shù)佩戴于人體右上臂外側(cè)、右側(cè)臀部上方、右大腿外側(cè)、右膝蓋外側(cè)。趙壯壯、陳培友、邱悅雯[10]運(yùn)用Live Pod LP2對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中能量消耗測(cè)量?jī)x被戴于不同部位的測(cè)試數(shù)據(jù)的信度和效度進(jìn)行檢驗(yàn)，Live Pod LP2屬于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的新型加速度傳感器，是以3軸加速度MEMS傳感器為技術(shù)基礎(chǔ)，運(yùn)用智能識(shí)別模型與能量消耗模型進(jìn)行測(cè)試。趙壯壯、陳培友、邱悅雯[10]選擇26名自愿受試者，將Live Pod LP2佩戴于人體4個(gè)不同部位，在4km/h、6km/h、8km/h速度下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。并計(jì)算ICC值（0.978—0.997）；運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)（相關(guān)分析、配對(duì)樣本T檢驗(yàn)、Bland-Altman分析法）對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由表1、表2，可知：被佩戴于在右側(cè)臀部上方，且慢跑速度（4km/h）水平下Live Pod LP2的測(cè)量效度水平最高。

表1 本研究不同速度水平LivePodLP2 ICC一覽表

右上臂外側(cè)右側(cè)臀部上方右大腿外側(cè)右膝蓋外側(cè) 4km/h0.985**0.978**0.987**0.978** 6km/h0.996**0.996**0.993**0.990** 8km/h0.983**0.997**0.992**0.981**

注：＊代表Ｐ＜0.05，＊＊代表Ｐ＜0.01

表2 不同速度LivePodLP2均值、氣體代謝分析儀與LivePod2均差及相關(guān)系數(shù)一覽表

氣體代謝分析儀LivePodLP2 右上臂外側(cè)右側(cè)臀部上方右大腿外側(cè)右膝蓋外側(cè) 平均值(kcals)4km/h4.2(4.0,4.4）4.3（3.8,4.7)4.4（4.0,4.7)3.8（3.4,4.2)3.8（3.5,4.2) 6km/h5.6(5.3,6.0)5.7（5.1,6.1)5.8（5.4,6.1)4.2（3.7,4.7)4.0（3.6,4.4) 8km/h6.6(6.0,7.3)6.7（5.9,7.2)8.0（7.4,8.6)6.6（6.0,7.2)5.2（4.8,5.6) 均差(kcals)4km/h —0.03(-0.3,0.2)—0.1(-0.3,0.06)0.4(0.04,0.7)0.3(0.07,0.6) 6km/h 0.03(-0.3,0.3)—0.1(-0.3,0.1)1.3(0.9,1.8)1.6(1.1,2.0) 8km/h 0.09(-0.4,0.6)—1.0(-1.0,-0.9)0.01(-0.5,0.5)1.40(0.9,1.9) 相關(guān)系數(shù)4km/h 0.72**0.71**0.41*0.61** 6km/h 0.71**0.8**0.45*0.4* 8km/h 0.61**0.74**0.58**0.60**

注：均差值為MAXII測(cè)量值與LP2測(cè)量值之差，均值和均差以mean＆９５％置信區(qū)間形式表示。

3 不同運(yùn)動(dòng)方式能量消耗的共性和個(gè)性特征

人體三大供能系統(tǒng)：磷酸原系統(tǒng)、乳酸能系統(tǒng)、有氧氧化系統(tǒng)。這三大系統(tǒng)相互作用共同維持人體的一切生命活動(dòng)，磷酸原系統(tǒng)由ATP和CP組成，僅能在10s內(nèi)以最大功率輸出供能，總供能少。乳酸能系統(tǒng)是[1]指糖原或葡萄糖在細(xì)胞漿內(nèi)無(wú)氧分解生成乳酸,釋放能量合成ATP，以29.3J/kg.s的最大輸出功率,為機(jī)體持續(xù)約33s的供能。有氧氧化系統(tǒng)是指[1]體內(nèi)糖、脂肪和蛋白質(zhì)按一定的生理順序在細(xì)胞內(nèi)徹底分解成CO2和H2O,釋放大量能量，合成ATP為機(jī)體供能。三大供能系統(tǒng)的在供能過(guò)程中所占的比例是隨著身體活動(dòng)強(qiáng)度和活動(dòng)時(shí)間的變化而改變的。1970年，Astrand等［11］人對(duì)人體的三大供能系統(tǒng)進(jìn)行了研究，首次提出了有氧供能百分比［12，13］：有氧供能量占三大供能系統(tǒng)總供能量的百分比被稱為有氧供能百分比。隨后，不少的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)專著中對(duì)這一概念進(jìn)行了闡述，期刊論文也有所論述。黎涌明[14]分析了不同運(yùn)動(dòng)方式（跑、騎、游、劃等）中，有氧供能百分比與全力運(yùn)動(dòng)的最大持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，把實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析求得了其回歸方程y=22.404×㏑（x）+45.176（R2=0.9334），y表示有氧供能百分比，x代表全力運(yùn)動(dòng)的最大持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間。黎涌明研究所得的回歸方程與其他學(xué)者所論證的方程存在差異，這與不同的運(yùn)動(dòng)方式和受試者肌肉不同的訓(xùn)練水平（快、慢肌百分比）有直接的關(guān)系，并且受能量代謝計(jì)算方法的影響。黎涌明[14]并且還對(duì)不同類型的人員（靜水皮艇國(guó)家級(jí)運(yùn)動(dòng)員、靜水劃艇國(guó)家級(jí)運(yùn)動(dòng)員、跑步運(yùn)動(dòng)員、業(yè)余功率自行車(chē)騎者和業(yè)余曲柄手搖功率儀手搖者）進(jìn)行了4min全力運(yùn)動(dòng)測(cè)試，并運(yùn)用Beneke等人所提議的能量計(jì)算方法［１5，１6］對(duì)能量消耗進(jìn)行了計(jì)算。

圖 1 不同運(yùn)動(dòng)方式4min全力運(yùn)動(dòng)有氧供能百分比[14]

如圖1，皮艇和劃艇運(yùn)動(dòng)中動(dòng)員的肌肉群快、慢肌比例相似，則有氧供能百分比相當(dāng)。跑步運(yùn)動(dòng)中有氧供能百分比較之略高（已有大量文獻(xiàn)論述［17］：普通人群下肢慢肌比例高，上肢快肌比例高，皮艇、劃艇運(yùn)動(dòng)員上肢肌肉中慢肌比例明顯高于普通人群，跑步運(yùn)動(dòng)員下肢肌肉慢肌百分比顯著高于普通人群）。業(yè)余功率自行車(chē)騎車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有氧供能百分比明顯高于業(yè)余曲柄手搖功率儀手搖運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的有氧供能百分比。從這五種運(yùn)動(dòng)方式的能量代謝中既可以看出共性，又可以得知個(gè)性特征。在運(yùn)動(dòng)中，募集的肌肉運(yùn)動(dòng)單位量相似，所處的訓(xùn)練水平相似，且主要以大肌肉群參與，其有氧供能百分比與最大持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間兩者之間有可求得的一定指數(shù)關(guān)系；不同的肌肉群有其不同的最大乳酸穩(wěn)態(tài)，需采用多級(jí)測(cè)試方法獲得乳酸閾。

4 人體活動(dòng)能量消耗編碼表

經(jīng)過(guò)科學(xué)家以縝密的思維對(duì)人體能量消耗進(jìn)行研究驗(yàn)證，運(yùn)用相關(guān)知識(shí)進(jìn)行歸納與整合，匯編了較為全面的人體活動(dòng)能量消耗編碼表，其中含有人體各種活動(dòng)方式及其所對(duì)應(yīng)的代謝當(dāng)量值。數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)多項(xiàng)高水平的科研成果。在1993 年，第一版人體活動(dòng)能量消耗編碼表產(chǎn)生［18］，其中含有 19 個(gè)大類及 477 個(gè)具體人體活動(dòng)項(xiàng)目。在2000 年，第二版問(wèn)世［19］，其增設(shè)了“自愿者活動(dòng)”和“宗教活動(dòng)”兩個(gè)大類，即形成了現(xiàn)有的 21 大類，如表3 ，將身體活動(dòng)細(xì)分到605 個(gè)項(xiàng)目，并對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證與更新。2011 年 4 月，最新版的體力活動(dòng)能量消耗編碼表［19］被刊登于Medicine ＆ Science in Sports＆ Exercise 雜志，由605個(gè)身體活動(dòng)項(xiàng)目增設(shè)到了821個(gè)項(xiàng)目，并通過(guò)測(cè)量與論證對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了整理與更新。更有突破意義的是，新版的體力活動(dòng)能量消耗編碼表還開(kāi)通了網(wǎng)絡(luò)資源(:https://sites.Google.com/site/compendiumof physical activities )，在該網(wǎng)站上涵蓋大量信息，既能夠查閱體力活動(dòng)的所屬類別和具體的項(xiàng)目信息( 包括活動(dòng)類別編碼、身體活動(dòng)的具體說(shuō)明、能量消耗的數(shù)值以及強(qiáng)度 MET 值)，又能更細(xì)地了解到哪些MET值是測(cè)量所得、免費(fèi)下載如何測(cè)量等方面的相關(guān)文獻(xiàn)，并且保留有相關(guān)的科研成果，經(jīng)審核均可上傳該網(wǎng)站，以便增補(bǔ)或修改體力活動(dòng)能量消耗編碼表，此為制定運(yùn)動(dòng)處方提供理論參考，力求全球化應(yīng)用，這是之前版本體力活動(dòng)能量消耗編碼表無(wú)法比擬的。

表3 2011 體力活動(dòng)能量消耗編碼表(摘錄)

編碼分類代謝當(dāng)量體力活動(dòng) (MET) 01003騎車(chē)14.0騎車(chē)，山地，上坡，吃力 01020騎車(chē)6.8騎車(chē)，16.1 ～ 19.2 km / h，休閑、緩慢，輕松 02052體能鍛煉5.0抗阻( 負(fù)重) 運(yùn)動(dòng)，蹲起，慢速或爆發(fā)性練習(xí) 03010舞蹈5.0芭蕾，現(xiàn)代舞或爵士舞，一般，練習(xí)或課程 04040釣魚(yú)打獵3.5釣魚(yú)，在岸邊，站位( Taylor 編碼: 660) 05042家務(wù)勞動(dòng)2.5刷碗，從桌上收拾盤(pán)子，步行，輕松 06144家庭維修3.0維修用具 07020非活動(dòng)狀態(tài)1.3靜坐，看電視 08025園藝3.5清潔小灌木叢，清理花園，有些吃力 09106雜項(xiàng)3.5觀光 / 旅行 / 渡假( 包括步行) 10120樂(lè)器演奏2.0吉他，古典，民謠，坐位 11580職業(yè)活動(dòng)1.5坐位，輕松( 辦公室、實(shí)驗(yàn)室、小物件修理、閱讀，伏案工作) 12020跑步7.0 慢跑，一般 13009生活自理1.8坐便，不包括站位和蹲位 14010性生活2.8主動(dòng)，吃力 15670運(yùn)動(dòng)3.0太極，氣功，一般 16010交通往來(lái)2.5駕駛汽車(chē)或卡車(chē)( 不帶拖車(chē)) 17200步行4.34.5 ～ 5.1 km / h，水平硬地面，快速，以鍛煉為目的 18255水上活動(dòng)4.8游泳，仰泳，休閑 19030冬季活動(dòng)7.0溜冰，一般( Taylor 編碼: 360) 20000宗教活動(dòng)1.3坐在教堂里，進(jìn)行儀式、參加典禮、靜坐 21000志愿者活動(dòng)1.5坐位，會(huì)議，一般，和 / 或包括說(shuō)話

5 小結(jié)

能量消耗作為人體生理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的重要研究主題，與人的身體活動(dòng)密切相關(guān)。能量消耗的客觀測(cè)量?jī)x的不斷更新促進(jìn)了科研工作的快速發(fā)展，對(duì)人體能耗的測(cè)試部位進(jìn)行了深入地對(duì)比分析，測(cè)試儀被佩戴于在右側(cè)臀部上方，且運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較低的情況下，能耗測(cè)試儀的測(cè)量效度檢驗(yàn)水平最高?？偨Y(jié)了人體不同的運(yùn)動(dòng)方式，在快、慢肌比例相近、訓(xùn)練水平相似的前提下，有氧供能百分比與全力運(yùn)動(dòng)的最大持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間具有共同的指數(shù)關(guān)系，肌肉有各自不同的最大乳酸穩(wěn)態(tài)，需采用多級(jí)測(cè)試法得知個(gè)體乳酸閾。對(duì)人體日?；顒?dòng)的代謝當(dāng)量進(jìn)行了大匯編，為了解人體生命活動(dòng)和健身指導(dǎo)提供一定意義上的理論參考?？v觀目前的研究成果，人體不同活動(dòng)方式能量消耗的機(jī)理還有待深層次的探究，理論體系有待完善。

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Research Progress of Energy Expenditure of Human Activities

FANG Chun-lu, etal.

( Guangzhou sports University, Guangzhou 510000, Guangdong, China)

Using the literature material law to summarize the progress of studying on the energy expenditure of the human activity from the following aspects:1) Means of measurement of energy expenditure;2) Testing the validity and reliability of the measurement instrument of energy expenditure worn on different parts of the body measured ;3) Commonality and individuality characteristic of energy expenditure in the different forms of activities；4）Physical activity energy expenditure coding table. This summary and summarized for us provide new perspectives and idea to study energy expenditure of humans, and then enriching and developing theoretical model of human physiology on energy expenditure.

physical activity; energy expenditure; accelerometer; aerobic power percentage

國(guó)家科技部科研院所專項(xiàng)資金項(xiàng)目（高準(zhǔn)確度運(yùn)動(dòng)能量消耗模型構(gòu)建及樣機(jī)研制）支持（編號(hào)：2013EG145136）。

方春露（1989-），湖南人，研究生，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。