陳成香 ，潘加浩， 魏書濤，安 霞

(1.福建技術(shù)師范學(xué)院，福建 福清 350300；2. 三六一度(中國)有限公司，福建 廈門 361009；3. 廣州體育學(xué)院，廣東 廣州 510500 )

計步器作為日常生活中最為常見的可穿戴設(shè)備，其最為主要的應(yīng)用是記錄穿戴者每日的步數(shù)。隨著大眾對身體健康日益重視和科學(xué)運動概念的不斷推廣普及，它已經(jīng)被廣泛的作為監(jiān)控運動量的一種手段[1-3]。并且可以幫助監(jiān)控肥胖和代謝相關(guān)疾病的人群的日?；顒樱瑤椭麄冎贫ㄟ\動處方，從而促進其健康和養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣[4, 5]。根據(jù)研究證據(jù)，大多數(shù)的研究人員推薦步行10000步/天，能夠有利于身體健康[6]，有利于防止慢性疾病[7, 8]的發(fā)生；快走2000步/天可以有效地降低疾病的風(fēng)險[9]。

科學(xué)研究提供了大量的證據(jù)證明應(yīng)用計步器來評估人體的身體活動是可行和有效的，并且能夠有利于緩解相關(guān)慢性疾病[10-14]。根據(jù)一項早期的meta分析，其結(jié)果表明老年人使用計步器能夠顯著性的增加他們的身體活動，并且顯著性的減小他們的BMI指數(shù)以及血壓[10]。此外，一項為期4年的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)患有2型糖尿病的中年人，使用計步器記錄每天的身體活動的患者其動脈硬化的速度更為緩慢[11]。因此，消費者可以在市面上購買到各式各樣不同品牌的計步器。對于使用者來說，計步器的準(zhǔn)確性直接決定了運動量判斷的準(zhǔn)確性。因此為了確定不同品牌計步器的精確性，研究人員做了大量的研究，其中包括基于正常生活情況[14-18]、實驗室情況[19-27]以及兩者相結(jié)合的情況[28-30]。Fitbit和Actigraph計步器是全世界范圍內(nèi)最流行的商業(yè)化計步器，并且可以極為便利的用于日常活動量的監(jiān)測[14-18]。但是，這種基于正常情況的實驗設(shè)計存在一種不可避免的局限性，就是無法基于某個金標(biāo)準(zhǔn)去評價計步的準(zhǔn)確性。因此，基于實驗室壞境的研究設(shè)計可以很好避免這一局限性。在一項研究中，研究人員要求受試者佩戴不同品牌的計步器完成400m的步行，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)Kenz Lifecorder, Yamxa Digi-walker SW-701和New Lifestyles NL-2000計步器的誤差在正負(fù)3%之內(nèi)，但是Omron HJ-105和Sportline 330的誤差為正負(fù)37%[19]。此外，也有相關(guān)的研究比較了400m快走以及上下樓梯時佩戴某一品牌的計步器的誤差，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)步數(shù)的誤差分別為2.3%, 19.9%和10.8%[22]。在另外的實驗室研究中，研究人員證明了Fitbit One和Fitbit Zip計步器在步行時的誤差分別為1.3%[21]和小于1%[23]。

盡管大量的研究已經(jīng)評價了不用品牌計步器的準(zhǔn)確性，但是只有極少一部分的研究關(guān)注佩戴于不同部位的計步對準(zhǔn)確性造成的影響。在日常生活中，常會觀察到有些人會將計步器佩戴于手腕，也有的人會習(xí)慣性的佩戴于腰間。在某項研究中，研究者讓受試者用繩子綁住計步器掛于脖子上，沿著腋中線和鎖骨中線放置于左右腰間和左右褲帶上，結(jié)果證明放置于鎖骨中線的延長線的腰間和褲帶的準(zhǔn)確率最高，分別為1.2%和6.3%[31]。在另外一項研究中，發(fā)現(xiàn)放置于褲帶、肩帶和背包內(nèi)的計步器的計步精確性存在差異[32]。顯然，這些證據(jù)無法證明將計步器佩戴于哪一身體部位可以得到最為準(zhǔn)確的結(jié)果。而且，由于智能運動鞋的發(fā)展，也有大量的計步器是被至于運動鞋中底內(nèi)。因此，計步器佩戴位置和其準(zhǔn)確性之間的關(guān)系尚不明確。

綜上所述，并沒有研究評價放置于運動鞋中底的計步器的準(zhǔn)確性。因此，智能運動鞋能否給穿戴者提供準(zhǔn)確的身體活動數(shù)據(jù)，從而幫助穿戴者評價自己的運動量，為科學(xué)健身提供輔助。本研究通過比較步行、慢跑和上下樓梯時，放置于不同部位(手腕、腰部和鞋底)的計步器的計數(shù)與金標(biāo)準(zhǔn)(錄像記錄)之間的差異，用于確定其準(zhǔn)確性。

1 調(diào)查對象與方法

1.1 調(diào)查對象

本研究共招募20人健康成年人作為被試對象。其排除標(biāo)準(zhǔn)包括：(1)BMI大于32kg/m2；(2)半年內(nèi)進行過下肢手術(shù)；(3)患有任何影響步態(tài)的疾病；和(4)測試前12h內(nèi)進行過劇烈運動。受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況 (x ± SD)

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗儀器

兩個型號為Fitbit Zip(Fitbit公司, 圣弗朗西斯科, 美國)(圖1)的可穿戴式電子計步器。其分別放置于受試者的右手手腕和鎖骨中線延長線的腰部。放置于鞋中底的計步器使用三六一度(中國)有限公司生產(chǎn)的第二代智能跑鞋。所有的計步器都是基于加速度傳感器設(shè)計的。

1.2.2 測試方法

實驗開始之前，測試人員按照標(biāo)準(zhǔn)位置將加速度計固定于受試者的手腕和腰部，且讓受試者穿上相匹配鞋碼的智能運動鞋。受試者按照實驗要求以自我選擇的速度依次完成步行、慢跑和上下樓梯。步行和慢跑測試在標(biāo)準(zhǔn)的400m塑膠跑道上進行，上下樓梯在總共17層的樓梯上來回10次。在受試者進行每一項任務(wù)時，測試人員使用攝像機(尼康，日本)記錄下整個運動過程。七天后所有受試者重復(fù)上述測試，但不使用攝像機記錄測試過程，測試人員記錄下安裝在不同部位計步器上顯示的步數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

攝像機記錄的數(shù)據(jù)解析由三名測試人員共同完成。首先，其中兩名實驗人員分別通過視頻解析軟件，數(shù)出每一位受試者在進行不同任務(wù)書時實際行走的步數(shù)。如果兩人最后得到的步數(shù)相一致，視為準(zhǔn)確步數(shù)；如果兩人最后得到的步數(shù)不一致，此時需要第三名測試人員重復(fù)上述過程，直到所有人得到相同的步數(shù)。此步數(shù)作為金標(biāo)準(zhǔn)與計步器記錄的步數(shù)進行比較。

誤差分?jǐn)?shù)(error scores)被計算，其表達式如下：金標(biāo)準(zhǔn)-計步器測得的步數(shù)。

1.2.4 統(tǒng)計學(xué)方法

首先，使用中位(median)和四分位距(interquartile range)用以評價計步器記錄步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，用以確定相對于金標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性和隨機性偏離。箱圖(box plot)用以視覺化的展示計步器記錄步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，用以確認(rèn)計步器至于不同位置和不同任務(wù)情況下的效度[32]。

其次，單因素方差分析用以評價在步行、慢跑和上下樓梯時，放置在不同位置的計步器誤差分?jǐn)?shù)之間的統(tǒng)計學(xué)差異。當(dāng)出現(xiàn)顯著性差異時，Bonferroni事后分析被執(zhí)行檢查佩戴位置之間的差異。相對百分誤差(mean absolute percentage error, MAPE)是通過計算百分誤差的絕對值的算術(shù)平均值得到的，其同樣是用以判斷精確性的方法。Bland-Altman圖也被繪制用以顯示不同情況下計步器記錄步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的一致性。其平均差(表示與零之間的差異)越小其結(jié)果的準(zhǔn)確性越高。

最后，克朗巴哈系數(shù)法(Cronbach’s alphas)用以前測和后測之間的可靠性。顯著性的克朗巴哈系數(shù)設(shè)置為0.08[33]。

所有數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進行統(tǒng)計，顯著性水平設(shè)置為0.05。

2 實驗觀測結(jié)果

圖1 佩戴在不同位置的計步器記錄的步數(shù)以及通過攝像機記錄的步數(shù)的中位(median)和四分位距(interquartile range)示意

圖1描述的是在步行、跑步和上下樓梯時，佩戴在不同位置的計步器記錄的步數(shù)以及通過攝像機記錄的步數(shù)的中位(median)和四分位距(interquartile range)。當(dāng)計步器佩戴在腕部時，步行時記錄的步數(shù)表現(xiàn)為較高的變異性(明顯的低估了實際的步數(shù))。此外，進一步觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)無論計步器佩戴在何種部位跑步時記錄步數(shù)的變異性相對大于走路和上下樓梯的。最后，上下樓梯時各部位計步器記錄步數(shù)的變異性是最小的。

圖2顯示的是不同情況下誤差分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計學(xué)差異。統(tǒng)計學(xué)結(jié)果顯示步行(F2, 57=11.789,p< .05)、跑步(F2, 57=5.399,p< .05)和上下樓梯(F2, 57=6.106,p< .05)都存在顯著性的統(tǒng)計學(xué)意義。事后分析發(fā)現(xiàn)在步行時，腰部和鞋中底的計步器記錄的步數(shù)顯著性的精確于腕部(p< .05)。此外，在慢跑和上下樓梯時，中底內(nèi)的計步器的精確性顯著性的高于腕部的計步器(p< .05)。

圖2 在步行、慢跑和上下樓梯時，佩戴在不同位置的計步器的誤差分?jǐn)?shù)之間的差異示意圖?！?”代表腕部和腰部以及腕部和鞋中底之間存在顯著性差異；“*”代表腕部和鞋中底之間存在顯著性差異

BA圖表示不同位置計步器記錄的步數(shù)的誤差分?jǐn)?shù)對于零的離散程度(見圖4)。結(jié)果顯示在步行和慢跑時放置于腰間的計步器以及在所有運動情況下放置于鞋中底的計步器都表現(xiàn)為極高的精確性，其95%預(yù)測區(qū)間距離零值得誤差小于20步。在慢跑和上下樓梯時計步器佩戴在手腕以及計步器佩戴在腰部進行上下樓梯時表現(xiàn)為適中的精確性，其95%預(yù)測區(qū)間距離零值得誤差小于37步。最后，在步行時，腕部佩戴的計步器記錄的步數(shù)表現(xiàn)為較低的精確性，其95%預(yù)測區(qū)間距離零值得誤差小于160步。

圖4 不同計步器佩戴部位和運動情況的Bland-Altman圖，實線代表零值，虛線代表95%的預(yù)測區(qū)間

在步行、慢跑和上下樓梯的情況下，當(dāng)計步器佩戴于不同的部位(腕部、腰部和鞋中底)記錄的步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)差值的中位和四分位距以及相對誤差值的結(jié)果顯示在圖2中。在所有運動情況下，放置于腰部和鞋中底的計步器表現(xiàn)為較小的相對誤差值(MAPE<3)。放置于腕部的計步器在慢跑和上下樓梯時表現(xiàn)為較小的相對誤差值(MAPE<3)，但是在走路時其相對誤差值偏大(MAPE=9)。

表2 計步器佩戴不同部位和運動情況下記錄的步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)差值的中位(四分位距)值和相對誤差值(%)的情況

Median (IQR), 中位和四分位距; MAPE, 相對百分誤差。正值代表對步數(shù)的高估，負(fù)值代表對步數(shù)的低估。

當(dāng)進行步行和慢跑時，無論計步器佩戴在腕部、腰部還是鞋中底，模型內(nèi)都顯示為較高的可靠性(R>.80)。但是，在進行上下樓梯時，無論計步器佩戴在腕部、腰部還是鞋中底，模型內(nèi)都顯示為較低的可靠性(R < .80)。

表3 計步器放置于不同位置和運動情況下的模型間的可靠性(克朗巴哈系數(shù))

3 討論

本研究的主要目的在于確認(rèn)在步行、慢跑和上下樓梯時，佩戴在不同身體部位計步器(腕部、腰部和鞋中底)記錄的步數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過比較計步器記錄的步數(shù)和攝像機記錄的步數(shù)(金標(biāo)準(zhǔn))的差異來確認(rèn)精確性。通過比較前測和后測的一致性或重復(fù)性來確認(rèn)可靠性。結(jié)果顯示受試者在步行和慢跑時，腰部和鞋中底佩戴計步器有著顯著性較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

首先，本研究證明了計步器佩戴在不同的位置是存在顯著性差異的，在步行時佩戴于腰部和鞋中底的計步器其精確性顯著性的高于腕部。也就是說，在步行時當(dāng)計步器佩戴在腕部時表現(xiàn)為很高的變異性，更低的精確性(MAPE=9)和明顯低估實際的步數(shù)。在自我選擇的速度下步行400m(大約500步)其計步器的誤差大約在160步左右。因此，我們認(rèn)為將計步器佩戴在腕部是不可接受的。其可能的原因是由于我們受試者的步行速度過于緩慢(1.28到1.68 m/s)，手臂的擺動幅度相對較小。先前的研究已經(jīng)證明了基于加速傳感器的計步器，在慢速步行時往往會存在較大的誤差[32, 34]。例如，Mcclian JJ等發(fā)現(xiàn)計步器佩戴于腕部時的百分誤差和絕對百分誤差值在緩慢步行時有更大的偏離性，尤其是速度小于1.33 m/s；但是在高速行走時，這些值表現(xiàn)為更高的聚合性[34]。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)在腕部佩戴ActiGraph WG7X+計步器其相對于金標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)誤在慢速行走時(0.44到1.67 m/s)是更大的(MAPE=22-47)[32]。但是，在本研究中，在步行時佩戴在腰部的計步器表現(xiàn)為很低的變異性和很高的精確性(MAPE < 1)。其可能的原因是由于Fitbit Zip使用的是三軸、高精度角速度傳感器，放置于腰部能夠更有效的測得垂直方向上的加速度變化。與此同時，在步行時將計步器放置于鞋中底，其記錄的步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間表現(xiàn)為非常小的偏差(MAPE < 1)，從而十分適合用以監(jiān)控流動性較強的日常活動。因此，根據(jù)先前的研究和本研究的結(jié)果，將計步器置于腕部可能會輕微的高估在與日常生活有關(guān)的活動中產(chǎn)生的步數(shù)[14-18]。所以，將計步器置于腕部可能會對佩戴者的運動量造成錯誤的估計。

當(dāng)慢跑和上下樓梯時，結(jié)果僅顯示鞋中底的計步器比腕部的計步器記錄的步數(shù)的精確性高。但是，我們也不得不注意當(dāng)計步器佩戴與腕部時同樣也表現(xiàn)出日益減少的變異性和日益增加的精確性(MAPE < 3)。雖然沒有研究驗證跑步時計步器佩戴在不同部位對精確性的影響，但是有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)以1.78m/s進行快走時，腰部佩戴Fitbit Zip計步器表現(xiàn)為很高的精確性(步數(shù)差小于1%)[23]；當(dāng)以1.67m/s進行快走時，腕部佩戴Garmin Vivofit計步器也表現(xiàn)為很高的精確性(MAPE < 3)[32]。此外，本研究腰部佩戴的計步器的計步數(shù)值的中位和四分位距值表現(xiàn)為低于實際的步數(shù)，其可能是由于跑步時會產(chǎn)生更多的干擾信號。類似于在上下樓梯時，腕部和腰部佩戴的計步器僅表現(xiàn)為中等精確性，其95%預(yù)測區(qū)間距離零值得誤差大約為37步。其實，在先前的研究中，在進行上下樓梯時腰部佩戴Yamax SW-700 Digiwalker計步器和Fitbit Zip計步器步數(shù)差異大約分別為9%[35]和6%[23]。其可能的原因是由于上下樓梯足部接觸地面產(chǎn)生的沖擊加速度小于地面步行[35]。上下樓梯時腕部計步器表現(xiàn)為中等精確性，其可能原因是由于在上下樓梯時，手臂的擺動模式和平地步行時相類似。在慢跑和上下樓梯時鞋中底嵌入的計步器都表現(xiàn)為極其高的精確性，其95%預(yù)測區(qū)間距離零值得誤差大約為20步并且相對誤差值小于1%。其主要原因是由于在足接觸地面時產(chǎn)生的加速度直接作用于鞋底，因此基于加速度計的計步器能夠更好的感受到加速度的變化，從而準(zhǔn)確的記錄步數(shù)。

根據(jù)先前的研究，研究人員建議應(yīng)使用計步器計數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的誤差小于1%的計步器來監(jiān)控日?；顒覽36]。在本研究中，所有運動條件下只有鞋中底內(nèi)嵌入的計步器的準(zhǔn)確性滿足上述要求。另一方面，根據(jù)本研究的結(jié)果可以觀察到在步行和跑步時所有部位的計步器都表現(xiàn)為較高的可靠性(alpha>0.80)。但是，在上下樓梯時所有部位的計步器都表現(xiàn)為較低的可靠性，尤其是腕部(alpha=0.40)和腰部(alpha>0.65)。雖然佩戴在腕部和腰部有較低的變異性，但是也表現(xiàn)為較低的可靠性，所以計步器佩戴在這些身體部位得到的步數(shù)用以判斷身體活動水平可能是不可接受的。嵌入鞋中底內(nèi)的計步器與較高的可靠性值(0.80)僅有0.1%的差異。因此，結(jié)合先前的研究結(jié)果[23, 35]和本研究的結(jié)果，可以認(rèn)為嵌入在鞋中底內(nèi)的計步器是監(jiān)控日?；顒忧闆r的最佳選擇。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)上下樓梯時腕部和腰部佩戴計步器表現(xiàn)為較低或中等的精確性以及較低的可靠性，但是嵌入鞋中底的計步器在所有情況都表現(xiàn)為較高的精確性和適中的可靠性。因此，嵌入鞋中底的計步器能夠精確和有效的記錄日常生活中人體的日?；顒忧闆r。從而能夠為研究人員、教練員以及康復(fù)治療師提供有用的數(shù)據(jù)，幫助他們更科學(xué)的制定運動處方和訓(xùn)練計劃。