三軸運動加速度計（GT3X）測量青春期少年（11～14歲）身體活動能耗預(yù)測方程的建立和檢驗

朱 琳，陳佩杰

1 前言

Physical Activity即身體活動，也有人將其譯為體力活動，是指由骨骼肌收縮產(chǎn)生的、使能量消耗增加的身體動作。身體活動與人體健康密切相關(guān)[14]，身體活動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)確測量身體活動能耗不僅可以了解該人群身體活動水平，有的放矢地指導(dǎo)其科學(xué)運動，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測量方法。目前，日常體力活動監(jiān)測中常用的能耗監(jiān)測方法有運動加速度計和問卷法等。問卷法雖然簡便易行，但報告往往被限制在一定范圍的活動種類上，而活動種類往往不能準(zhǔn)確區(qū)分活動的不同強度；其次，報告者的年齡對問卷測試的準(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。運動加速度計是基于牛頓力學(xué)定律，通過測量身體加速度絕對值的積分，通過身體運動的持續(xù)時間和強度的測量對身體活動提供客觀的評估，具有較高的信度和效度；運動加速度計因其可在不干擾受試者正常活動的情況下長時間佩戴，是目前科研人員常見的身體活動監(jiān)測和評估手段，其中，三軸運動加速度計因其可同時測量人體在垂直軸、冠狀軸和矢狀軸三個方向上身體活動的加速度變化，更能準(zhǔn)確地反映人體的真實運動。然而，運動加速度計是通過預(yù)測方程來實現(xiàn)能耗監(jiān)測，現(xiàn)有的預(yù)測方程多是國外學(xué)者針對當(dāng)?shù)爻赡耆耍宰摺⑴苓\動為基礎(chǔ)建立的[9，12]，使預(yù)測方程對人群或活動的適用范圍和適用廣度具有一定的局限性。為此本研究針對青春期少年建立基于走跑與非走跑運動為基礎(chǔ)的三軸運動加速計能耗預(yù)測方程。

2 研究對象和研究方法

2.1 研究對象

研究招募80名11～14歲初中生（每歲20人，男女各半）按性別、年齡分成實驗組（60人）和驗證組（20人）；實驗組用于方程的建立，驗證組用于方程的檢驗。所有參加者均身體健康，沒有參與過系統(tǒng)的運動訓(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）

實驗組GroupE驗證組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測試，運用Cosmed K4b2（以下簡稱K4b2）和三軸運動加速度計ActiGraph GT3X（以下簡稱GT3X）對受試者進(jìn)行第三套全國中學(xué)生廣播操（舞動青春）和1min盡力跳繩測試，兩項測試后均要求受試坐位休息至恢復(fù)；第二部分實驗室跑臺走跑運動遞增負(fù)荷測試，餐后1h以上運用K4b2和GT3X同步監(jiān)測3～6km/h走和7～8km/h跑的運動，每級運動5min，跑臺坡度為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，計算單位時間能量消耗，現(xiàn)已證實其可有效測量各種運動強度下的攝氧量[13]。實驗測試過程，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公式計算能耗[5]。各運動項目的能耗參數(shù)提取方法為：廣播操選擇整個活動時間；1min盡力跳繩，考慮到此運動會產(chǎn)生運動后過量氧耗的問題，跳繩＝（跳繩期平均值＋恢復(fù)期平均值×恢復(fù)時間）/運動時間[1]；跑臺走、跑遞增負(fù)荷運動選取每級運動的后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三軸運動加速度計

本研究采用60s時間間隔采樣模式，三軸測試方式；在部分實驗開始，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]。實驗后可以通過自帶數(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)垂直軸活動計數(shù)（ACxis1）、冠狀軸活動計數(shù)（ACxis2）、矢狀軸活動計數(shù)（ACxis3）、三軸向量幅值 VM3（Vector Magnitude，VM），VM3＝（ACxis12＋ACxis22＋ACxis32）1/2。

表2 本研究實驗的測試方案一覽表Table2 Test Scheme

2.2.4 數(shù)據(jù)簡化

2.2.5 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理

通過實驗組運用逐步回歸方法建立回歸方程。通過驗證組針對日常活動類、走跑類、走跑跳類、不規(guī)則活動類等四種活動類型對所建方程進(jìn)行驗證；絕對誤差＝∑｜實測值－方程預(yù)測值｜/n和相對誤差率＝｜實測值－方程預(yù)測值｜/實測值×100%用于驗證方程預(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)計學(xué)意義。統(tǒng)計分析均用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

通過實驗組以K4b2實測能耗值為因變量，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t檢驗，P＜0.05，說明自變量回歸系數(shù)和常數(shù)項有意義；Durbin－Watson（以下簡稱DW）統(tǒng)計量通過確定兩個相鄰誤差項的相關(guān)性是否為零來檢驗回歸殘差是否存在自相關(guān)，DW越接近2表明判斷誤差項無自相關(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)，表明方程誤差項獨立，回歸模型可靠。

3.2 能耗預(yù)測方程的驗證

因考慮到所建方程在今后的能耗評估中，主要是用于日常生活身體活動的能耗監(jiān)測，而日常身體活動的形式是多樣的，如果只是對單項身體活動進(jìn)行驗證顯然是不合理的，為此研究將活動分成不同活動類型進(jìn)行方程的檢驗。通過驗證組，運用所建回歸方程對四種類型活動的能耗預(yù)測能力進(jìn)行檢驗，以驗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，對于四類活動方程預(yù)測絕對誤差在0.58～0.63kcal/min之間，相對誤差率為9.14%～11.81%；經(jīng)Bland－Altman散點圖分析（圖1），實測值與預(yù)測值95%的殘差均落在Bland－Altman散點圖±2SD區(qū)間內(nèi)，表明方程對四類活動均有較好的預(yù)測能力。

表3 本研究能耗預(yù)測方程對不同活動類型能耗的預(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)測方程對四種類型活動預(yù)測的Bland－Altman散點圖Figure1.Bland–Altman Plots of the Paper’s Energy Expedition Prediction Equations for Monitoring Four PA Types

4 分析與討論

在實際的日常生活中，人們的主要活動形式可歸為走、跑、跳，而走、跑是最為常見的活動形式，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，由于日常活動通常以垂直軸和水平面的活動情況較多，因此，運動加速度計特別是GT3X等三軸運動加速度計在評價日常身體活動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。

對于自由活動狀態(tài)的受試者，運動加速度計是一種能夠描述身體活動模式的有效工具。以運動加速度計預(yù)測能量消耗（EE）的驗證性研究主要是在短期的實驗室或模擬自由生活的狀態(tài)下進(jìn)行的實驗[11]。GT3X官方軟件中的五個能耗預(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動為基礎(chǔ)的適用于青春期少年日常身體活動的能耗預(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往往是復(fù)雜的和不規(guī)律的活動，而不是單純的走或跑或跳等運動，因此，本研究將活動分為四種活動類型對方程的預(yù)測能力進(jìn)行檢驗。研究顯示，所建預(yù)測方程對日常活動類、走跑類、不規(guī)則活動類、走跑跳類等四種活動類型的預(yù)測絕對誤差分別為0.58 kcal/min、0.63kcal/min、0.62kcal/min、0.59kcal/min；對日常活動類（9.14%）、走跑跳類（9.48%）、不規(guī)則活動類（11.81%）和走跑跳類（9.22%）活動的預(yù)測相對誤差均在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散點圖顯示，對于四種活動類型的運動，95%的預(yù)測值與實測值的殘差均在±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。

有研究者[13]在兒童青少年中同時評估三個能耗預(yù)測方程，研究者通過45個年齡在10～18歲的兒童青少年受試者運用GT3單軸運動加速度計和Cosmed K4b2對Trost、Freedson和Puyau equations這3個能耗預(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)行運動，每個速度運動5min。理想情況下，一個運動加速度計的預(yù)測方程應(yīng)該可以準(zhǔn)確地預(yù)測一系列活動類型的能量消耗和運動強度，但他們的研究顯示，沒有一個方程能在4個活動實驗中準(zhǔn)確地預(yù)測平均能耗。這些發(fā)現(xiàn)也再一次說明，運動加速度計在被用于監(jiān)測兒童青少年等比較活躍的受試者的身體活動與日常身體活動能耗監(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計數(shù)建立的能耗預(yù)測方程對預(yù)測低、中等運動強度的身體活動能量消耗是一個很好的測量工具，然而它卻不能精確地評估高強度運動的身體活動能量消耗，這是單軸和三軸運動加速度計的一個普遍公認(rèn)的缺陷[7，8，12]，其主要原因是高強度活動時垂直軸AC會出現(xiàn)平臺期，換句話說它只能判斷一定加速度閾值之下的運動，而對于超過這個閾值的運動不能加以區(qū)分。以往能量消耗預(yù)測方程的建立多是基于實驗室或自由狀態(tài)下的走、跑等活動形式，而現(xiàn)實生活中的活動往往是多樣化的，特別是兒童青少年的活動種類更是多樣化。本研究在走、跑的基本運動形式中加入跳、廣播體操等不規(guī)則活動，對提高方程預(yù)測日常身體活動能耗的準(zhǔn)確性方面具有一定的實用價值。本研究所建方程是通過活動計數(shù)和體重來預(yù)測能量消耗的，因此，即包括了身體的信息，也包括了運動的信息。GT3X運動加速度計可以自由選擇單軸、雙軸和三軸的測試模式，雖然在多數(shù)活動中常以垂直軸的活動占優(yōu)勢，但日常活動中復(fù)雜的空間活動更為常見，因此使用向量幅值更能準(zhǔn)確地反映日常活動的真實情況，對于預(yù)測身體活動能量消耗也更加準(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類型的能耗，適用于對青春期少年的日常身體活動的能耗監(jiān)測。

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