朱 琳，陳佩杰

1 前言

Physical Activity即身體活動(dòng)，也有人將其譯為體力活動(dòng)，是指由骨骼肌收縮產(chǎn)生的、使能量消耗增加的身體動(dòng)作。身體活動(dòng)與人體健康密切相關(guān)[14]，身體活動(dòng)能量消耗是引起總能量消耗變化的最大可變成分[10]。因此，準(zhǔn)確測量身體活動(dòng)能耗不僅可以了解該人群身體活動(dòng)水平，有的放矢地指導(dǎo)其科學(xué)運(yùn)動(dòng)，也可為制定膳食推薦標(biāo)準(zhǔn)提供支持。那么，解決問題的關(guān)鍵是找到一種行之有效的身體活動(dòng)測量方法。目前，日常體力活動(dòng)監(jiān)測中常用的能耗監(jiān)測方法有運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)和問卷法等。問卷法雖然簡便易行，但報(bào)告往往被限制在一定范圍的活動(dòng)種類上，而活動(dòng)種類往往不能準(zhǔn)確區(qū)分活動(dòng)的不同強(qiáng)度；其次，報(bào)告者的年齡對(duì)問卷測試的準(zhǔn)確性有一定的影響，使問卷法的準(zhǔn)確性和適用范圍具有一定的局限性。運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)是基于牛頓力學(xué)定律，通過測量身體加速度絕對(duì)值的積分，通過身體運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的測量對(duì)身體活動(dòng)提供客觀的評(píng)估，具有較高的信度和效度；運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)因其可在不干擾受試者正?；顒?dòng)的情況下長時(shí)間佩戴，是目前科研人員常見的身體活動(dòng)監(jiān)測和評(píng)估手段，其中，三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)因其可同時(shí)測量人體在垂直軸、冠狀軸和矢狀軸三個(gè)方向上身體活動(dòng)的加速度變化，更能準(zhǔn)確地反映人體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。然而，運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)是通過預(yù)測方程來實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測，現(xiàn)有的預(yù)測方程多是國外學(xué)者針對(duì)當(dāng)?shù)爻赡耆?，以走、跑運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)建立的[9，12]，使預(yù)測方程對(duì)人群或活動(dòng)的適用范圍和適用廣度具有一定的局限性。為此本研究針對(duì)青春期少年建立基于走跑與非走跑運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的三軸運(yùn)動(dòng)加速計(jì)能耗預(yù)測方程。

2 研究對(duì)象和研究方法

2.1 研究對(duì)象

研究招募80名11～14歲初中生（每歲20人，男女各半）按性別、年齡分成實(shí)驗(yàn)組（60人）和驗(yàn)證組（20人）；實(shí)驗(yàn)組用于方程的建立，驗(yàn)證組用于方程的檢驗(yàn)。所有參加者均身體健康，沒有參與過系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練（表1）。

表1 本研究受試者基本信息一覽表Table1Descriptive Characteristics of Subjects ±S）

表1 本研究受試者基本信息一覽表Table1Descriptive Characteristics of Subjects ±S）

實(shí)驗(yàn)組GroupE驗(yàn)證組Croup Ctr男性（n＝30） 女性（n＝30） 男性（n＝10） 女性（n＝10）年齡（yr） 12.91±0.96 12.95±0.98 13.14±0.91 13.04±0.96身高（m） 1.63±0.10 1.57±0.05 1.65±0.05 1.56±0.06體重（kg） 56.45±12.34 49.42±9.73 54.52±7.36 48.94±5.75 BMI（kg/m2） 21.05±3.55 19.87±2.93 19.99±2.32 20.26±2.84

2.2 研究方法

2.2.1 測試安排

第一部分非走跑活動(dòng)測試，運(yùn)用Cosmed K4b2（以下簡稱K4b2）和三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)ActiGraph GT3X（以下簡稱GT3X）對(duì)受試者進(jìn)行第三套全國中學(xué)生廣播操（舞動(dòng)青春）和1min盡力跳繩測試，兩項(xiàng)測試后均要求受試坐位休息至恢復(fù)；第二部分實(shí)驗(yàn)室跑臺(tái)走跑運(yùn)動(dòng)遞增負(fù)荷測試，餐后1h以上運(yùn)用K4b2和GT3X同步監(jiān)測3～6km/h走和7～8km/h跑的運(yùn)動(dòng)，每級(jí)運(yùn)動(dòng)5min，跑臺(tái)坡度為0，中間無休息（表2）。

2.2.2 Cosmed K4b2便攜式氣體代謝分析儀

間接測熱法所設(shè)計(jì)的間接能量測定儀是測定機(jī)體能量消耗的“金標(biāo)準(zhǔn)”[3，4]，K4b2（Cosmed，Rome，Italy）是利用間接測熱原理，通過分析每一口氣中氧和二氧化碳的含量，計(jì)算單位時(shí)間能量消耗，現(xiàn)已證實(shí)其可有效測量各種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的攝氧量[13]。實(shí)驗(yàn)測試過程，嚴(yán)格按照操作手冊進(jìn)行，通過隨機(jī)配備的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)表，并提 取 能 耗 參 數(shù)O2（ml/min）、CO2（ml/min），通 過WEIR公式計(jì)算能耗[5]。各運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的能耗參數(shù)提取方法為：廣播操選擇整個(gè)活動(dòng)時(shí)間；1min盡力跳繩，考慮到此運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)后過量氧耗的問題，跳繩＝（跳繩期平均值＋恢復(fù)期平均值×恢復(fù)時(shí)間）/運(yùn)動(dòng)時(shí)間[1]；跑臺(tái)走、跑遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)選取每級(jí)運(yùn)動(dòng)的后2min的穩(wěn)態(tài)期數(shù)據(jù)，第1～3min作為平衡期。跳繩恢復(fù)及走跑穩(wěn)態(tài)的標(biāo)志是HR和O2的寬容度分別在±5BPM和±10%[5，6]的范圍內(nèi)。

2.2.3 ActiGraph GT3X三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)

本研究采用60s時(shí)間間隔采樣模式，三軸測試方式；在部分實(shí)驗(yàn)開始，GT3X要依據(jù)制造商的說明書被初始化，并將儀器通過一個(gè)尼龍彈性腰帶固定在右腋窩中線和髂嵴水平線的交界處[13]。實(shí)驗(yàn)后可以通過自帶數(shù)據(jù)分析軟件ActiLife 5導(dǎo)出EXCEL數(shù)據(jù)表，提取原始指標(biāo)垂直軸活動(dòng)計(jì)數(shù)（ACxis1）、冠狀軸活動(dòng)計(jì)數(shù)（ACxis2）、矢狀軸活動(dòng)計(jì)數(shù)（ACxis3）、三軸向量幅值 VM3（Vector Magnitude，VM），VM3＝（ACxis12＋ACxis22＋ACxis32）1/2。

表2 本研究實(shí)驗(yàn)的測試方案一覽表Table2 Test Scheme

2.2.4 數(shù)據(jù)簡化

2.2.5 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理

通過實(shí)驗(yàn)組運(yùn)用逐步回歸方法建立回歸方程。通過驗(yàn)證組針對(duì)日?；顒?dòng)類、走跑類、走跑跳類、不規(guī)則活動(dòng)類等四種活動(dòng)類型對(duì)所建方程進(jìn)行驗(yàn)證；絕對(duì)誤差＝∑｜實(shí)測值－方程預(yù)測值｜/n和相對(duì)誤差率＝｜實(shí)測值－方程預(yù)測值｜/實(shí)測值×100%用于驗(yàn)證方程預(yù)測準(zhǔn)確性；Bland－Altman圖用于確定方程的系統(tǒng)偏差；P＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。統(tǒng)計(jì)分析均用EXCEL 2007和SPSS 16.0完成。

3 研究結(jié)果

3.1 GT3X能量消耗預(yù)測方程的建立

通過實(shí)驗(yàn)組以K4b2實(shí)測能耗值為因變量，以ACxis1、ACxis2、ACxis3、VM3、年齡、性別、身高、體重等為自變量，獲得回歸方程 Y（Kcal/min）＝－1.471＋0.10440×體重（kg）＋6.15209E－4×VM3（counts/min）。方程的R2＝0.703，SEE＝0.82，F(xiàn)檢驗(yàn)P＜0.001，說明自變量與因變量存在線性關(guān)系，方程的擬合程度較高；自變量回歸系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)t檢驗(yàn)，P＜0.05，說明自變量回歸系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)有意義；Durbin－Watson（以下簡稱DW）統(tǒng)計(jì)量通過確定兩個(gè)相鄰誤差項(xiàng)的相關(guān)性是否為零來檢驗(yàn)回歸殘差是否存在自相關(guān)，DW越接近2表明判斷誤差項(xiàng)無自相關(guān)性的把握越大，本研究所建方程的DW 為1.734，查Durbin－Watson Test檢驗(yàn)表，方程DW值滿足UD＜DW＜4－UD，殘差不存在一階正自相關(guān)，表明方程誤差項(xiàng)獨(dú)立，回歸模型可靠。

3.2 能耗預(yù)測方程的驗(yàn)證

因考慮到所建方程在今后的能耗評(píng)估中，主要是用于日常生活身體活動(dòng)的能耗監(jiān)測，而日常身體活動(dòng)的形式是多樣的，如果只是對(duì)單項(xiàng)身體活動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證顯然是不合理的，為此研究將活動(dòng)分成不同活動(dòng)類型進(jìn)行方程的檢驗(yàn)。通過驗(yàn)證組，運(yùn)用所建回歸方程對(duì)四種類型活動(dòng)的能耗預(yù)測能力進(jìn)行檢驗(yàn)，以驗(yàn)證本研究建立的能量消耗預(yù)測方程的有效性（表3）。

從表3可知，對(duì)于四類活動(dòng)方程預(yù)測絕對(duì)誤差在0.58～0.63kcal/min之間，相對(duì)誤差率為9.14%～11.81%；經(jīng)Bland－Altman散點(diǎn)圖分析（圖1），實(shí)測值與預(yù)測值95%的殘差均落在Bland－Altman散點(diǎn)圖±2SD區(qū)間內(nèi)，表明方程對(duì)四類活動(dòng)均有較好的預(yù)測能力。

表3 本研究能耗預(yù)測方程對(duì)不同活動(dòng)類型能耗的預(yù)測一覽表Table3 Observation Capabilities of Energy Expedition Prediction Equations Monitoring Four PA Types

圖1 本研究所建預(yù)測方程對(duì)四種類型活動(dòng)預(yù)測的Bland－Altman散點(diǎn)圖Figure1.Bland–Altman Plots of the Paper’s Energy Expedition Prediction Equations for Monitoring Four PA Types

4 分析與討論

在實(shí)際的日常生活中，人們的主要活動(dòng)形式可歸為走、跑、跳，而走、跑是最為常見的活動(dòng)形式，其中，極低速的走或極快速的跑在日常生活中均少見[2]；同時(shí)，由于日?；顒?dòng)通常以垂直軸和水平面的活動(dòng)情況較多，因此，運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)特別是GT3X等三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)在評(píng)價(jià)日常身體活動(dòng)能耗方面具有一定的優(yōu)勢，建立其相應(yīng)的能耗預(yù)測方程也更有意義。

對(duì)于自由活動(dòng)狀態(tài)的受試者，運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)是一種能夠描述身體活動(dòng)模式的有效工具。以運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)預(yù)測能量消耗（EE）的驗(yàn)證性研究主要是在短期的實(shí)驗(yàn)室或模擬自由生活的狀態(tài)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)[11]。GT3X官方軟件中的五個(gè)能耗預(yù)測公式適用于19歲以上成年人，因此，本研究以EE為因變量來建立基于走跑與非走跑運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的適用于青春期少年日常身體活動(dòng)的能耗預(yù)測方程。

本研究以 EE為因變量，以 ACxis1、ACxis2、ACxis3、VM3、年齡、性別、身高、體重為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果VM3和體重進(jìn)入最終方程。這表示VM3和體重比ACxis1、ACxis2、ACxis3、年齡、性別、身高等信息更能反映因變量，說明EE與VM3和體重存在線性關(guān)系；所建方程R2＝0.703，說明因變量的70.3%的變異可以由VM3和體重解釋，方程的擬合程度較高；且DW接近2，表示回歸方程有效，回歸模型可靠。

兒童青少年的身體活動(dòng)往往是復(fù)雜的和不規(guī)律的活動(dòng)，而不是單純的走或跑或跳等運(yùn)動(dòng)，因此，本研究將活動(dòng)分為四種活動(dòng)類型對(duì)方程的預(yù)測能力進(jìn)行檢驗(yàn)。研究顯示，所建預(yù)測方程對(duì)日?；顒?dòng)類、走跑類、不規(guī)則活動(dòng)類、走跑跳類等四種活動(dòng)類型的預(yù)測絕對(duì)誤差分別為0.58 kcal/min、0.63kcal/min、0.62kcal/min、0.59kcal/min；對(duì)日?；顒?dòng)類（9.14%）、走跑跳類（9.48%）、不規(guī)則活動(dòng)類（11.81%）和走跑跳類（9.22%）活動(dòng)的預(yù)測相對(duì)誤差均在15%以內(nèi)外，準(zhǔn)確度均在85%以上。Bland－Altman方法的目的是計(jì)算出兩種測量結(jié)果的一致性界限，并以圖形的方式直觀地反映出這種一致性界限，以得出這兩種測量方法是否具有一致性的結(jié)論；Bland－Altman散點(diǎn)圖顯示，對(duì)于四種活動(dòng)類型的運(yùn)動(dòng)，95%的預(yù)測值與實(shí)測值的殘差均在±2SD以內(nèi)，說明方程具有較好的預(yù)測能力，能有效預(yù)測日常生活中的各種類型活動(dòng)。

有研究者[13]在兒童青少年中同時(shí)評(píng)估三個(gè)能耗預(yù)測方程，研究者通過45個(gè)年齡在10～18歲的兒童青少年受試者運(yùn)用GT3單軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)和Cosmed K4b2對(duì)Trost、Freedson和Puyau equations這3個(gè)能耗預(yù)測方程的有效性進(jìn)行了研究，其方法是讓參與者在室外平坦的大橢圓行跑道內(nèi)以正常步速走（5.052km/h），輕快步速走（6.708km/h），慢跑（10.074km/h），快跑（12.804km/h）等4種方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，每個(gè)速度運(yùn)動(dòng)5min。理想情況下，一個(gè)運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)的預(yù)測方程應(yīng)該可以準(zhǔn)確地預(yù)測一系列活動(dòng)類型的能量消耗和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，但他們的研究顯示，沒有一個(gè)方程能在4個(gè)活動(dòng)實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確地預(yù)測平均能耗。這些發(fā)現(xiàn)也再一次說明，運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)在被用于監(jiān)測兒童青少年等比較活躍的受試者的身體活動(dòng)與日常身體活動(dòng)能耗監(jiān)測之前，額外的校正研究是必要的。

GT3X基于每分鐘垂直軸活動(dòng)計(jì)數(shù)建立的能耗預(yù)測方程對(duì)預(yù)測低、中等運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的身體活動(dòng)能量消耗是一個(gè)很好的測量工具，然而它卻不能精確地評(píng)估高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的身體活動(dòng)能量消耗，這是單軸和三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)的一個(gè)普遍公認(rèn)的缺陷[7，8，12]，其主要原因是高強(qiáng)度活動(dòng)時(shí)垂直軸AC會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)期，換句話說它只能判斷一定加速度閾值之下的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于超過這個(gè)閾值的運(yùn)動(dòng)不能加以區(qū)分。以往能量消耗預(yù)測方程的建立多是基于實(shí)驗(yàn)室或自由狀態(tài)下的走、跑等活動(dòng)形式，而現(xiàn)實(shí)生活中的活動(dòng)往往是多樣化的，特別是兒童青少年的活動(dòng)種類更是多樣化。本研究在走、跑的基本運(yùn)動(dòng)形式中加入跳、廣播體操等不規(guī)則活動(dòng)，對(duì)提高方程預(yù)測日常身體活動(dòng)能耗的準(zhǔn)確性方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。本研究所建方程是通過活動(dòng)計(jì)數(shù)和體重來預(yù)測能量消耗的，因此，即包括了身體的信息，也包括了運(yùn)動(dòng)的信息。GT3X運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)可以自由選擇單軸、雙軸和三軸的測試模式，雖然在多數(shù)活動(dòng)中常以垂直軸的活動(dòng)占優(yōu)勢，但日?；顒?dòng)中復(fù)雜的空間活動(dòng)更為常見，因此使用向量幅值更能準(zhǔn)確地反映日?；顒?dòng)的真實(shí)情況，對(duì)于預(yù)測身體活動(dòng)能量消耗也更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本研究應(yīng)用線性回歸分析的方法，建立的以三軸向量幅值和體重為自變量的能耗預(yù)測方程有效，能有效監(jiān)測11～14歲青春期少年不同活動(dòng)類型的能耗，適用于對(duì)青春期少年的日常身體活動(dòng)的能耗監(jiān)測。

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