三維加速度counts 估算不同步速能量消耗應用初探

管培培，丁寧煒，湯強，劉春輝

(1.淮安體育運動學校，江蘇 淮安 223001;2.江蘇省體育科學研究所，江蘇 南京 210033;3.南京體育學院，江蘇 南京 210014)

雙標水法(DLW)和間接熱測定法是準確測定能量消耗(Energy Expenditure，EE)的“金標準”［1］，但是它們在測量人體自由條件下身體運動能耗時存在諸多挑戰。較為新穎的運動傳感器法為實驗室提供了更好的選擇，其中三軸加速度計從物理學角度提供了對人體運動進行客觀評價的新方法，也為構建新型的運動數據分析和處理裝置提供了新思路［2］。

加速度計是通過壓電陶瓷產生形變轉化成電信號這一原理工作的。壓電陶瓷所產生的電壓信號，在被過濾和放大之后，經A/D 轉換。再通過不同的運算法測和途徑轉變為最終的加速度計數(counts)［3］。counts 代表加速度絕對值的積分的復位次數，1min 內積分的復位次數定為counts/min，即1min 內身體活動的頻率與強度［4］。盡管很多的體力活動研究可以用原始的counts 來解釋，但是體力活動強度最終量化需要將加速度采集的信息轉化為更加有價值或可以容易解釋的標準單位，這個過程稱為校準［5］。例如通過與標準的間接熱測定法對比，獲取專門的方程，來推算產熱量、攝氧量(VO2)、METs 等，校準方程的應用可以改進我們對counts 認識與利用水平。

1 研究內容與方法

1.1 實驗對象及分組

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 實驗方法

1.2.1 實驗主要儀器及測試指標:

(1)國家標準身高體重儀。

(2)韓國BIOSPACE 生產的Inbody3.0 體成分分析儀。

(3)美國ActiGraph 公司生產的GT3X 三軸加速度計: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:能量消耗相關指標VO2(l/min)、VO2(ml·kg－1·min－1)、METs、能耗(kcal/min)等。

1.2.2 實驗方案

實驗采用六級步速，選擇了由輕度漸增至高強度體力活動的強度范圍。參照美國第十版 RDA(Recommended Dietary Allowance)中體力活動的分級標準［6］，將 本 實 驗 步 速 設 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 運動測試參考Wasserman 等［7］(1994)有關特定負荷運動中，人體代謝穩定階段最早出現在4～6min，此時呼吸交換律、VO2、心率、MET 等各項代謝指標趨于穩定的研究結論。

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，加速度計佩戴于腋下中線與肚臍平行線相交處左右兩側，每側各一個;要求受試者盡可能的以自然、放松、勻速的步態進行測試。

1.3 數據處理

數據統計采用SPSS13.0 統計軟件，采用均數±標準差對各變量進行描述，運用T 檢驗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。

運用回歸分析和相關分析，比較失狀軸、冠狀軸、垂直軸的counts 以及合矢量counts 與能耗指標相關性，提出能耗推算方程，并檢驗其信效度。

2 結果與分析

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的比較

表2 不同性別間能耗指標的比較

注:相同步速下，不同性別間能耗指標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］研究結論相似，在步行與日常中低強度的身體運動中能量消耗METs 沒有性別差異，可能是由于中低強度的負荷沒有給予機體充分的刺激，以致性別之間的差異觀測不到;當步行轉變為慢跑，步速以7.2km/h、8.0km/h、8.8km/h 遞增時，性別間VO2、METs 差異具有統計學意義，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。

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表3 描述不同性別間三維counts 的比較，結果顯示合矢量counts 在6 種不同步速下，性別間差異不具統計學意義(P〉0.05);垂直軸counts 性別間比較發現，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 性別間差異呈現不規律分布;女性矢狀軸、冠狀軸counts 感應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中的貢獻率較高，相比之下，女性受試者在矢狀軸和冠狀軸counts 數值要高于男性，這可能與跑步中女性身體在水平面內擺動幅度較大及身高、下肢長度和步態有關。

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，接近標準體重人群的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，導致運動過程中相對能耗偏低有關［10］;經T 檢驗，不同體重組間合矢量counts 差異不具有統計學意義(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 與體重相關性較低，或可認為合矢量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。

2.3 其他身體指標與能量消耗的相關性

表4 身體各指標與能耗指標的偏相關分析

表4 是在控制變量步速后，人體各身體指標與METs 和能耗之間的相關性。由表可以看出，身高與去脂體重與MET 無顯著相關，體重、性別、BMI 都在0.2左右水平上顯著相關，而BMI 指標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。

2.4 不同強度身體活動counts/min 切點的界定

通過對115 名受試者采集的數據，經回歸分析得如下實驗結果。

圖2 合矢量、單軸(垂直軸)counts 與METs 關系

關于體力METs 值劃分體力活動等級，采用Bouchard 等［11］在評估兒童與成人體力活動能量消耗的分級標準。

Freedson 等［12］在校準單軸加速等計CSA(Computer Science and Applications)研究中，實驗方案選取健康成年受試者50 人，在跑步機上采用4.8km/h、6.4km/h、9.7km/h 速度;Sasaki 等［13］研究認為GT3X 合矢量counts切點為≤2491cnts/min、(2491 ～5944)cnts/min、(5945 ～10536)cnts/min、≥10537cnts/min。相對比本實驗劃分的counts 范圍，國外早期研究在高強度、極高強度體力活動counts 切點數值較大，這可能與實驗設計、選取人群、采樣間隔epoch、加速度計類型等有關。

表5 不同強度體力活動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與合矢量counts 數值

表6 不同步速下能耗指標與合矢量counts 數值

(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

根據以上實驗結果，不同步速的運動相應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進行檢驗，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，線性假設檢驗F=649，P〈0.001)

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

(R2=0.746，SEE=1.24METs，線性假設檢驗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，線性假設檢驗F=836，P〈0.001)

經線性假設檢驗，三方程均具有統計學意義。

3 討論與建議

評估身體運動有許多方法，其中三軸加速度計因其設計人性化、適用性強、精確、便攜、佩戴方便而備受重視。經改進量化的工具和方法有助于提高我們對身體運動的認識水平，實驗室研究需要探索整合能耗推算處理方法，提供更多具有實踐意義的工具應用經驗。

目前，國內三軸加速度計運用多數旨在探討兒童和肥胖人群體質與體力活動關系，能耗推算依照Freedson 等人提出的經典回歸方程。方程校準以歐美人群為主，應用于國內人群研究時，經典回歸方程是否需要校準和改良是目前三軸加速度計應用中存在的主要問題。本研究以國內人群為樣本，探索counts 與能耗指標的關系，并提出相應的推算方程，實驗結果可為國內運用三軸加速度計評估身體運動提供參考。

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