三軸加速度傳感器測量體力活動研究進展

舒瀟

摘 要：隨著時代的發展越來越多的人缺乏鍛煉，體力活動水平低下。肥胖患者增多，伴隨而來的是各種疾病已然成為全球問題。越來越多的居民開始關注體力活動，各種測量儀器也應運而生，加速度傳感器就是一種，它具有體積小，易于攜帶，同時測量精確，可重復使用，價格低廉，對受試者影響小等優點，在國外被廣泛應用于日常體力活動的研究。本綜述將具體對加速度傳感器校度、最佳佩戴時間、最佳佩戴位置以及生活中的應用等進行分析討論。

關鍵詞：三軸加速度傳感器 體力活動 綜述

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2813（2018）05（b）-0230-02

WHO把體力活動定義為通過骨骼肌收縮消耗能量的任何身體移動。大量流行病學研究證明了體力活動的不足與許多疾病密切相關，如常見的心血管疾病、糖尿病、骨質疏松、肥胖癥、部分類型癌癥（結直腸癌、乳腺癌）等。體力活動量也不是越高越好，準確評定體力活動，就可獲得健康與體力活動的關系，并獲得長期行為趨勢和評估干預效果。 回顧性調查法是目前國內測量體力活動的主要方法，但問卷獲得結果常常是前后矛盾的。加速度傳感器具有體積小，易于攜帶，同時測量精確，可重復使用，價格低廉，對受試者影響小等優點，被廣泛應用于測量不同人群體力活動的研究。加速度傳感器能精確測量體力活動的能量消耗、運動頻率、運動強度和運動持續時間，且無需被測者進行回顧。現今在發達國家，加速度傳感器應用于體力活動的研究已相當成熟。本綜述對近年來文獻進行了歸納總結。

1 加速度傳感器測量方法研究

1.1 加速度傳感器原理

加速度傳感器的原理是通過感應物體加速度后，產生形變，再轉化為電信號輸出。形變越大，電壓值越大，形變越小電壓值越小。通常以加速度計數（activity count，AC）來表示加速度傳感器的輸出結果。根據材料的不同，可將加速度傳感器分為壓阻式、壓電式、差動電容式等，根據感應軸數量可分為單軸、雙軸、三軸加速度傳感器。單軸加速度計只能測量一個方向的加速度，雙軸加速度傳感器能測量兩個維度的加速度，三軸加速度能測量三維加速度，并且能計算出合加速度。人體的運動在矢狀軸、冠狀軸和垂直軸上均可運動，并可分為獨立和聯合運動，三軸加速度計可從不同方向測量人體運動，相比單軸和雙軸加速度計精確度更高。但也有研究指出，大規模使用加速度傳感測量體力活動，不管是使用單軸（GT1M）還是三軸（RT3），實驗結果并沒有區別。還有將三軸加速度傳感器（RT3）垂直軸Counts和合矢量Counts與活動能量消耗作比較，結果發現合矢量Counts并未增加能耗的準確度。盡管如此也有研究者指出，三軸加速度傳感器在測量日常體力活動中精確度比單軸更好。

雖然GT3和RT3都是三軸加速度計且都在科研工作中使用較多，但GT3和RT3擁有不同的濾過器，這導致相同的活動產生不同的加速度計數值（AC）。此外，儀器佩戴部位也會影響測量效果。王歡等人對三種加速度感應器測量多種身體活動校度進行比較，其中兩種三軸加速度傳感器，一種多軸加速度傳感器，發現3種加速度計對坐姿于站立活動的測量值與K4B2的差異顯著（P<0.05）。其GT3顯著低估坐姿和站立活動能耗，而 RT3和SWA高估坐姿活動，低估站立活動的能耗，而且對坐姿到站力活動的能耗變化，3種加速度計都不能識別。因此，針對不同的人群應選擇恰當的加速度傳感器，以使實驗結果更加精確完整。

1.2 加速度傳感器的佩戴時間

1.2.1 佩戴時間的選擇

正確制定佩戴時間能更精準的了解體力活動水平，了解活動周期是確定佩戴時間的關鍵，青少年大多為在校學生，活動周期為一周，較為穩定，一般為在校5d，休息2d。兒童的佩戴時間一般為4～8.5d，成年人則3～5.5d。有研究指出讓青少年佩戴加速度傳感器一周，能有效檢測出青少年中高強度的體力活動，組內相關系數預測為0.76～0.87。青少年不同于上班族，他們擁有寒假和暑假。同時，人在不同季節的體力活動量也不相同。僅在一個時段測得的體力活動水平并不能代表運動習慣。因此，針對不同人群，要綜合考慮季節和時段的因素，在不同時間反復測量，使研究結果更加準確。

1.2.2 采樣間隔

在體力活動水平測量時，結果的可靠性選取于數據記錄時間，也稱為采樣間隔。由于年齡的不同，采樣時間也有差別，理論上認為兒童應采取最短的采樣間隔，因為兒童的骨骼肌發育尚不成熟，易疲勞，工作時間短暫，需要捕捉其短時間的高強度活動。若采樣時間過長，則可能平均高強度和低強度體力活動水平。王歡認為長的采樣間隔會使受試者的高強度運動測量時間小于高強度運動實際時間，低強度和中強度運動測量時間小于低強度和中強度運動實際時間，只有采用較短的時間間隔，才能精確測量兒童青少年不同強度體力活動。

研究者針對測量青少年體力活動時可采用在身體不同部位佩戴多個加速度傳感器的方法，在腰部、手腕、腳踝分別佩戴一個加速度傳感器可測量青少年的大部分體力活動。但Plasqui等研究發現，佩戴于腰部和手腕的加速度傳感器會對能耗值的測量帶來2%的變化。佩戴兩個或多個加速度傳感器能使能量消耗測量值更接近實際值，但受試者因佩戴數量過多而不適，并且還提高了測試成本，因此，要根據其運功，不同年齡層的運動特點適量增加傳感器的數量。增加加速度傳感器的數量值與對能量消耗測量準確度的關系還有待進一步研究。

2 加速度傳感器的實踐應用研究

2.1 在測量青少年體力活動中的應用

有調查顯示，大多數家長支持孩子在課余進行體育鍛煉，國外研究顯示，家庭中是否擁有運動器材是影響青少年體力活動水平又一因素。家庭擁有運動器材的中學生 MVPA（Moderate-to-Vigorous Physical Activity中強度體力活動）更長，而靜態行為較短，這說明學生在家里使用運動器材運動的可能性很大，正是因為家長對體育鍛煉的熱愛或者是孩子對體育鍛煉的熱情，才導致這個家庭購買運動器械，即使這些孩子不在家進行體育鍛煉，在學校進行體育鍛煉的可能性也比其他孩子高，才導致這些學生的MVPA高于家中沒有運動器械的學生，而靜態行為較短。

交通方式對青少年的體力活動水平也有很大影響，作為日常體力活動的一部分。有報道顯示，青少年大多步行或者騎自行車上學，這兩種學生的體力活動水平區別于乘車上學的學生，步行或騎自行車上學的學生體力活動水平明顯較高。自己步行或騎自行車的中學生，AI（Average Intensity 平均活動強度）更大，MVPA有更多的時間，靜態行為也更少，雖然從家到學校的距離不是很長，但這一段交通中學生消耗的能量不容忽視，它占據了一定的運動時間以及運動強度。

2.2 在監測肥胖人群運動干預中的應用

人類的生活方式越來越自動化、智能化，這雖然給人類帶來了便捷，然而也帶來了一個國際難題——肥胖。肥胖率的提高伴隨著非傳染性疾病概率的提高，其中兒童期肥胖造成的不良后果更為嚴重，它不僅會造成孩子成年后肥胖風險提高，也可能造成孩子早逝、殘疾等。因此我們對肥胖人群的運動干預刻不容緩，加速度傳感器就是一種新型的監控方式。

3 結語

（1）針對不同年齡的受試者使用的采樣間隔有待進一步研究，建議青少年佩戴加速度傳感器一周，條件具備時增加跟蹤研究，不同季節和不同年份的調查，能有效檢測出青少年中高強度的體力活動。較短采樣間隔能精確測量兒童青少年不同強度體力活動。將加速度傳感器佩戴在腰部，能夠準確測量出青少年體力活動水平，反映出日常活動絕大多數能量消耗。

（2）要從多個方面考慮青少年的體力活動水平的影響因素，通過使用加速度傳感器測量不同生活方式的青少年，發現家庭、交通、學習壓力等都可能對青少年的體力活動水平造成影響。加速度傳感器作為一種新型的肥胖監控儀器正在逐步推廣，它可以激勵肥胖患者進行體育鍛煉，從而幫助他們遠離肥胖，遠離肥胖帶來的疾病。

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