邱 俊，趙德峰，王金昊

水槽中3種間接代謝測試方法對自由泳能量消耗測試的準確性研究

邱 俊，趙德峰，王金昊

目的：通過氣體代謝測試法、心率(HR)和3軸加速度計等3種能量代謝測試方法的對比，探討在自由泳運動過程中用Actigraph 評價游泳訓練中能量消耗的可行性和推算出自由泳中Actigraph的能量消耗的推導方程。方法：游泳水槽中用氣體代謝法對比HR和踝、腰、腕等不同部位佩戴的3軸加速度計等3種間接能量代謝測試方法測試運動員模擬200 m自由泳途中游，確定身體踝、腰、腕3個部位中加速度數值和氣體代謝測試法相關度最高的部位。在50 m泳池中測試10名運動員HR和腕關節(jié)3軸加速度計數值并和水槽中測試所得數據進行比較,以確定泳池和水槽中能量代謝測試結果的差異性大小。結果：水槽中腕關節(jié)加速度數值為踝、腰、腕部位中與氣體代謝能耗值相關度最高者，加速度VM值與氣體代謝能耗值呈中度相關；女運動員平均氣體代謝法能量消耗值與HR法能量消耗值均顯著低于男性，但累計全程能量消耗沒有性別差異；以腕VM為自變量，結合體重、速度平方建立了加速度計法能量消耗非標準化回歸方程方程：EE(Kcal)=4.488+2.197×速度平方+0.171×BW-0.00011×腕VM;水槽中腕VM加速度計數要顯著高于泳池中所測數值。結論：1)水槽中HR、腕、踝關節(jié)加速度綜合計數均與氣體代謝能耗水平具有顯著的相關關系。2)加速度計算自由泳能量消耗的最佳方法是腕關節(jié)部位加速度綜合計數。3)泳池中測試運動員能量消耗應該更加具有真實性。

水槽；能量消耗；加速度計

前言

從文獻檢索的結果看，國際上關于游泳項目的能量消耗研究較少，大多數評價游泳運動過程中能量消耗都是采用間接氣體代謝測試法，雖然通過氣體代謝法來計算運動中機體能量消耗為間接評價能量消耗測試中較為準確的方法，但是，由于測試條件的限制，無法便捷性地應用于不同強度游泳運動中的能量消耗評定；用HR評價運動員的能量消耗容易受到情緒、環(huán)境等因素的影響，且游泳中緊貼胸部皮膚的HR傳感器易讓人在游泳過程中產生不適感；3軸加速度計應用是目前國內外關于人體運動量及能耗研究中的熱點，探索其定量分析人體運動的信度與效度是目前研究中比較關注的，如能將3軸加速度計應用到不同強度的游泳運動中評價運動員的能量消耗，可為科學的能量補充提供更加準確性的依據。

1 研究目的

游泳水槽中模擬200 m自由泳，以氣體代謝測試推算得到的能量消耗為標準，分析HR、HR結合體重、性別推算的能量消耗和加速度測試方法與之相關性，有相關性的條件下推導水槽中自由泳能量消耗的加速度計數預測方程；并在游泳池中進行200 m自由泳HR和加速度的對比測試，尋找運動員在游泳訓練中測試能量消耗簡便可靠的方法，可相對科學地評價運動員游泳訓練時的能量消耗。

2 對象與方法

2.1 受試對象

游泳和現代5項運動員共21名(現代5項10名，游泳11名)為實驗對象，其中男性12名，女性9名。年齡為15～25歲，男性平均身高180.38±5.07 cm,女性平均身高172.23±4.33 cm，男性平均體重為67±4.25 kg,女性平均體重為54±5.32 kg。

2.2 實驗方法

2.2.1 水槽中能量代謝測試

第1周的周2運動員在9：00 am.到達游泳水槽，先在游泳池中準備活動30 min后動態(tài)拉伸15 min，保證血乳酸(Bla)在4 mmol/L以下、HR 100 b/min以下開始正式測試。在水槽中參照200 m自由泳比賽的個人最佳游泳成績的80%設定水流速度，水流速度女運動員在1.31～1.34 m/s之間，男運動員1.40～1.5 m/s之間，要求每人持續(xù)時間為1 min30 s，氣體代謝指標采用COSMED K4b2心肺功能測試儀(意大利)以breath by breath法進行測試，測試前儀器分別進行了環(huán)境空氣、流量和參考氣體校準。同時,佩戴Polar HR帶用Hosand水下HR接收器同步接收HR信號，并在右腕關節(jié)背側、腰、右外踝上緣部位各佩戴一個Actigraph 3軸加速度儀而同步測定運動員的能量消耗情況。氣體代謝、HR和加速度數據的過濾時間均設為4 s。

2.2.2 泳池中HR和加速度計數的測試

第2周的周2本研究中現代5項運動員10名 在50 m游泳池進行200 m自由泳訓練，運動員9：00 am.到達游泳池，在動態(tài)拉伸15 min后，在泳池中準備活動500 m后保證HR在100 b/min以下后，開始進行200 m自由泳訓練，要求保持80%最大強度。在右腕關節(jié)背側佩戴一個Actigraph3軸加速度儀而同步測定運動員的加速度計數情況，在左腕部佩戴一塊PolarHR表接收帶在胸部的HR帶發(fā)出的HR。

2.3 數據處理

(1)

加速度計數記錄了3個方向：冠狀軸(x軸，前后方向)、矢狀軸(y軸，左右方向)和垂直軸(z軸，上下方向)的加速度，并將3個軸的加速度記數通過公式(2)。

VM=(ACx2+ACy2+ACz2)1/2

(2)

HR法能量消耗(EE(HR))采用Keytel等[6]建立的以HR為自變量的能量消耗方程(3)，其中性別系數：男為1，女為0。

EE(HR)(KJ/min) =性別系數×(-55.0969+0.6309×HR+0.1988×BW+0.2017×年齡)+(1-性別系數) ×(-20.4022+0.4472×HR-0.1263×BW+0.074×年齡)

(3)

單位值最終換算為 kcal/min。

2.4 數據統計

所有統計采用SPSS 17.0軟件完成。采用Pearson積差相關分析法計算HR、腕、腰、踝各部位加速度綜合計數和氣體代謝能耗值之間的相關性。采用獨立樣本t檢驗比較不同部位加速度計綜合計數組間差異，用逐步回歸法建立自由泳運動時加速度計數能耗預測方程，考慮到阻力與水流速度的平方成正比，加入“速度平方”變量作為自變量，P<0.05認為方程有效。

3 研究結果

3.1 水槽中氣體代謝法能量消耗與HR和不同部位加速度計數的關系

水槽IC法所得能量消耗值與運動員3部位(腰、腕、踝)的VM加速度計數值、HR以及HR法(EEHR)所推算的能量消耗值之間的相關系數如表1所示。結果顯示，除腰部加速度以外，其余4項觀察值與IC法能量消耗值之間的相關系數均有顯著性(P<0.01)。相對而言，IC法與HR推算法的相關性最高，水槽中腕關節(jié)加速度數值為踝、腰、腕部位中與氣體代謝能耗值相關度最高者，加速度VM值與氣體代謝能耗值呈中度相關；氣體代謝能耗值與HR呈低度相關性，與HR法能量消耗高度相關。

表 1 本研究水槽中IC法與不同部位加速度計數、HR和HR法能量消耗的相關系數一覽表Table 1 Correlation Coefficient among IC Method,Acceleration Counts from Different Parts,HeartRate and Heart Rate Method in Swimming Flum

表2顯示，針對每分鐘能量消耗的測算，IC法與HR法之間差異顯著，這一現象在不同性別運動員上表現一致。水槽中男女運動員平均每minIC法所測能量消耗值要顯著性地高于HR法所測能量消耗值，其中女運動員用HR法比IC法所測能量消耗值平均低2.5 Kcal；對于累計全程能量消耗的測算，女運動員的IC法測算顯著高于HR法，而男運動員的兩種測試推算法之間差異不顯著。性別間的差異檢驗顯示，女運動員平均氣體代謝法能量消耗值和HR法能量消耗值均顯著低于男性，但累計全程能量消耗沒有性別差異。

3.2 加速度計數方法預測能量消耗

本研究以氣體代謝法所測能量消耗為因變量，以踝、腰和腕關節(jié)VM的加速度計、BW、速度、速度平方和身高等測量值為自變量，采用逐步回歸法進行多元線性回歸分析。分析結果顯示,腕部VM加速度、速度平方、BW等3個變量被保留，非標準化系數以及回歸方程如表3所示,其中,r2=0.492，說明這3個變量能夠決定IC法能量消耗測試值的49%的變異，具有中度的預測效率。根據該回歸方程所得理論預測值與實際IC法所得值之間的散點圖與趨勢線如圖1所示。

表 2 本研究水槽中模擬200 m自由泳氣體代謝法(IC)與心率法(EEHR)能量消耗值比較一覽表Table 2 Comparison of Energy Expenditure Valuesbetween IC Method and Heart Rate Method duringSimulated 200 m Freestyle Swimming

表 3 本研究水槽中自由泳加速度腕VM能量消耗推導方程一覽表Table 3 Derivated Equation of VM Values fromWrist for Freestyle Swimming in Swimming Flum

圖 1 本研究能量消耗IC法實測值和腕VM加速度計數預測值關系散點圖

3.3 水槽和泳池中HR和腕VM加速度計數比較

表4顯示，在水槽流速和游泳泳速相近的情況下，水槽中腕VM加速度計數與泳池中所測得的數值之間差異具有顯著性，水槽條件高于泳池條件。而在HR方面，水槽條件和泳池條件無顯著差異性。

4 討論

水槽作為一個科研設備提供了穩(wěn)定可調的水流速度，運動員可以在水槽里進行相對靜止的運動，這就為在運動過程中實施心肺功能等測試提供了與實際運動最為相似的測試環(huán)境。本研究選取了游泳水槽測試平臺通過氣體代謝分析系統測定出的耗氧量，推算運動員在不同速度下完成同一距離所消耗的能量作為標準，同步測試運動過程中的HR和加速度計數。根據Wilson對14名青少年游泳運動員分別在水槽和游泳池內完成同一距離和游速的游泳技術參數進行的比較，運動員在泳池和水槽，同一游速下的劃手頻率在中低游速時沒有顯著差別，但在該測試的最高游速下(1.6 m/ s)出現了小的，但呈顯著性的差別[3]。因此，提示本研究在游泳水槽中水流速度在1.31～1.50 m/s范圍內運動員測試模擬200 m自由泳應和泳池中的測試環(huán)境無顯著差異。

表 4 本研究水槽和泳池中HR和腕VM的加速度計數比較一覽表Table 4 Comparison of Accelerate Countsbetween Swimming Flum and Swimming Pool

200 m游泳比賽的強度往往被認為是接近或超過最大有氧能力，需要依靠磷酸原、糖酵解和有氧代謝供能3大系統。Pedro測試了10個游泳國際級運動員認為，200 m蛙泳的能量消耗為1.60 KJ/m,而磷酸原、糖酵解和有氧供能分別占到20.4%、13.6%、65.9%,研究測試在第4個50m時，劃頻和第1個50 m相比明顯效率下降，因此也從理論上認為劃頻效率下降是由于能量消耗的增加而造成的[7]。本研究中，腕、踝VM計數值都與氣體代謝測試推算的能量消耗值成負相關，也證實了隨著能量消耗的增加，加速度計數值的下降與劃頻效率減慢相關。

HR法推算能量消耗雖然具備同步、便捷的特點，但有研究表明，HR和能耗僅在一定范圍(110～150b/min)內存在良好的線性關系，超出此范圍時，HR與能耗的相關性下降，HR還有較大的個體差異性，限制了HR在預測體力活動能耗中的準確性[4]，且游泳運動時佩戴不便。本研究中水槽測試過程中的平均HR達到170 次/min，因而HR和氣體代謝測試推算的能量消耗值呈低度相關性。HR法推算的能量消耗值雖然達到較高的相關度(r=0.778)，說明結合性別、BW、年齡等參數的能量消耗方程從統計學角度同樣也適用于水槽中模擬200m游泳的能量消耗。Zamparo等[9]檢測9名自由泳運動員的50 m、100 m、200 m、400 m最大強度游的能量消耗，推導出能量消耗與游泳速度有關：男運動員能耗(kJ/m)=0.603×10 0.228 v(v為速度，m/s)，女運動員能耗(kJ/m)= 0.360×10 0.339 v(v速度，m/s)。本研究實測水槽中男女運動員平均每分氣體代謝法能量消耗值要顯著性地高于HR法所測能量消耗值，提示用HR法預測不同強度游泳能量消耗時可能也需要增加速度等參數。

有研究比較4種不同泳姿之間200 m遞增游泳的能量消耗認為[2]游速為1.0～1.2 m/s時，蛙泳總能量消耗顯著高于仰泳、自由泳的總能量消耗，1.4 m/s時蛙泳能量消耗最高，自由泳能量消耗顯著低于蛙泳、蝶泳和仰泳的能量消耗，1.6 m/s時蛙泳能量消耗也顯著高于蝶泳和自由泳的能量消耗，自由泳能量消耗最低，其次為仰泳、蝶泳，蛙泳能量消耗為最高。而在自由泳動作技術中，上肢的動作技術是重點關注對象，因為在自由泳中，手臂的運動是推進力的主要提供者，它能提供70%左右的推進力[1]。它為本研究中腕關節(jié)的VM的加速度值和氣體代謝能耗值為腕、腰、踝3個部位中加速度數值相關度最高者提供了理論依據，因此，肯定了今后在用加速度計數自由泳能量消耗的佩戴準確部位就是腕部。本研究建立的腕部VM結合速度平方和BW建立的水槽中加速度計數推導的能量消耗預測方程，r2=0.492，說明該方程能解釋水槽中自由泳能耗的49.2%，其他的決定能量消耗的因素可能與速度等因素相關。

水槽和泳池中腕VM的加速度計數具有顯著性差異且泳池中還包含了3個轉身的動作，實驗結果水槽中所測數值要明顯高于泳池中，這與本研究中的13名運動員均是第一次進入水槽進行測試有一定程度相關。研究認為，經過10周的水槽訓練，發(fā)現大多數運動員的技術經濟性曲線在4周和10周后都出現右移，尤其10周的變化與開始相比有了顯著性差異[5]。這預示，運動員經過10周的訓練，技術的熟練程度都有了明顯的提高，從而可以更少的能量消耗完成同樣速度的持續(xù)游。因此，運動員在水槽中的技術水平不同將會影響能量消耗的測試結果，也建議在今后研究游泳能量消耗測試的方法時，還是在泳池環(huán)境中更加具有真實性。

關于最大強度游泳時能量消耗的文獻非常少，決定游泳大強度訓練能量消耗水平不僅取決于有氧和無氧供能系統，也與速度、泳姿等參數相關，同時，游泳運動員的年齡，性別和技術水平等因素都會通過水流阻力和推進效率影響著能量消耗。但也有研究表明[8]，以30名專業(yè)自由泳運動員(10名少年男性、5名少年女性運動員和10名成年男性、5名成年女性運動員)為研究對象，探討性別和年齡對200 m游泳能量消耗的影響，用道格拉斯氣袋法收集耗氧量，根據耗氧量和游速的比率推測能量消耗，結果發(fā)現，沒有顯著性影響[8]。本研究中平均每分能量消耗值男女有性別差異，提示接合體重變量的氣體代謝法和HR法能量消耗值可見，男女運動員的能量消耗不同，個體之間也有差異，能量補充應根據個體情況的能量消耗為主。

5 小結

1.在水槽中3種能量代謝測試方法提示， HR、 腕、踝關節(jié)加速度綜合計數均與氣體代謝能耗水平具有顯著的相關關系。

2.加速度計算自由泳能量消耗的最佳方法是腕關節(jié)部位加速度綜合計數。

3.泳池中測試運動員能量消耗應該更加具有真實性。

4.能量消耗的評價要考慮到性別、BW和技術水平之間的差異。

[1]徐心浩.優(yōu)秀運動員訓練水平的評價方法的建立及應用.上海：上海體育學院博士學位論文,2008.

[2]BARBOSA T M,FERNANDES R,KESKINEN K L,etal.Evaluation of the energy expenditure in competitive swimming strokes .Int J Sports Med,2006,27(11):894-899.

[3]B D WILSON,H TAKAGI,D L PEASE.Technique comparison of pool and flume swimming.VIII Int Symposium Biomechanics Med Swimming，1999.

[4]FREEDSON PS,KELLY M.Objective monitoring of physical activity using motion sensors and heart rate.Res Q Exe Sport， 2000,71(s2):s21-29.

[5]JAMES G HAY.The biomechanics of sports techniques.New Jesey:Prentice Hall,1993.

[6]KEYTEL L R,GOEDECKE J H,NOAKES T D,etal.Prediction of energy expenditure from heart rate monitoring during submaximal exercise.J Sports Sci 2005， 23(3):289-297.

[7]PEDRO FIGUEIREDO,PAOLA ZAMPARO,ANA SOUSA,etal.An energy balance of the 200 m front crawl race.Eur J Appl Physiol， 2011， 111:767-777.

[8]RATEL S,POUJADE B.Comparative analysis of the energy cost during front crawl swimming in children and adults.Eur J Appl Physiol， 2009,105(4):543-549.

[9]ZAMPARO P,CAPELLI C,PENDERGAST D.Energetics of swimming:a historical perspective.Eur J Appl Physiol， 2011， 111:367-378.

TheAccuracyofThreeIndirectMetabolicTestMethodsTestingEnergyExpenditureofFreestyleSwimminginSwimmingFlum

QIU Jun,ZHAO De-feng,WANG Jin-hao

Objective:Compare gaseous metabolism test method,heart rate and triaxial accelerometer three indirect metabolic test methods to explore the feasibility and accuracy of Actigraph accelerometer in testing energy expenditure in freestyle swimming and derivate energy consumption equation of freestyle swimming.Methods:In swimming flum used K4b2 gas metabolism to contrast heart rate value and acceleration values which collected by Actigraph activity monitors worn on 21 freestyle swimmers’ ankle,waist and wrist three different parts to determine the highest correlation value compared with gas metabolism test method.Then Tested heart rate value and triaxial accelerometer of wrist,in the 50-meter swimming pool and compared the data obtained in swimming flum,to determine the variability of energy metabolism test result which done in pool and swimming flum.Results:Among acceleration values from ankle,waist,wrist position,wrist acceleration values have highest correlation with gas metabolism values,VM acceleration value was a moderate correlation with gas metabolism values.Average energy consumption value of gas metabolism and heart rate in women athletes was significantly lower than in men athletes,but total energy expenditure values in all tests have no gender difference.Derivated equation use VM values of wrist as an independent variable,combined with weight,square of speed,built accelerometer non-standardized regression equation of energy consumption equation:EE(Kcal)=4.488+2.197×velocity2+ 0.171×weight-0.00011×wrist VM;wrist VM acceleration count in swimming flum was significantly higher than the value measured in swimming pool.Conclusion:1) In swimming flum,heart rate and accelerator VM counts from wrist and ankle all have a significant correlation with gas metabolism values.2) The best accelerate method to count energy expenditure for free style swimming is accelerator VM counts from wrist.3) Test energy expenditure of freestyle swimming in swimming pool should be more variability.

swimmingflum;energyexpenditure;accelerometer

2013-08-02；

：2013-12-23

國家體育總局科研項目資助(2011B024);上海市科委課題資助(12231203000)。

邱俊 (1971-)，女，浙江省人，副研究員，博士，研究方向為運動員機能監(jiān)控和營養(yǎng)調控工作， Tel:(021)64880712,E-mail:qiujung@hotmail.com。

上海體育科學研究所，上海 200037 Shanghai Research Institute of Sports Science,Shanghai 200037,China.

1002-9826(2014)02-0024-04

G861.101.2

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