登樓梯能耗相關指標的觀察與分析

□ 李鑫 謝敏 孫飆（南京體育學院 江蘇 南京 210014）

1、前言

隨著城市人口密度不斷加大，城市里高層建筑不斷增多，爬樓梯成了人們日常生活中最常見的一種健身方式。經過市場調研發現，目前樓道的資源沒有充分被利用，因此利用樓道健身具有廣大的市場前景。本研究選取具有代表性的城市高層建筑樓梯為測試場地，采用心肺功能測試系統測試不同人群爬樓梯的能量消耗。通過對比不同性別人群爬樓梯過程中的能量消耗，尋找人體爬樓梯的能量消耗特點，選取大眾易測量的指標，推導出不同性別人群爬樓梯能耗的方程，更便捷地為指導人們通過爬樓梯實現目標活動量提供參考依據。

2、研究方法

2.1、研究對象

選取年齡在18-50歲之間的健康人群作為測試對象。測試對象選取高校非體育專業學生、社會大眾共60人，其中男性30人，女性30人。研究對象的身高范圍：男性168-183cm，女性153-170cm。體重范圍：男性60-80kg，女性46-70kg。受試者均知情同意，志愿參與本實驗。

2.2、場地、環境選擇

本研究測試場地選用19層高樓的樓梯間，每層24級臺階，每級臺階高度15cm。每個樓層建有一個平臺（約3.2m）。

2.3、實驗方法

（1）形態測量。

采用標準方法測試身高、體重、下肢長，計算BMI指數（體重/身高2）。

（2）爬樓梯測試。

經過實際觀察和相關文獻研究，90步/min的爬樓梯頻率更能代表日常生活中的典型負荷，故本次實驗選用90步/min的步速作為正式實驗爬樓梯的步速。受試者爬樓梯時要求步法輕快平穩，節奏連續，不允許連上兩級，不允許跑步或者停止。通過節拍器調節控制受試者的爬樓梯頻率。測試開始前受試者佩戴好心肺功能測試儀器后先在樓下安靜5min，然后以90步/min的步速爬樓3min。

（3）肌力測試。

用Biodex等速儀，以240角速度做20次膝關節的等速屈伸運動，得到平均力矩峰值，以測得肌耐力。

2.4、測量儀器與指標

通過K5b2便攜式心肺功能儀測試受試者的能耗、心率、耗氧量等指標，其中下文中出現的登樓梯時最高心率為登樓梯后期心率較穩定的平均值，用Biodex等速儀測試受試者的左右腿膝關節屈伸力矩峰值。

2.5、統計方法

數據采用JMP統計軟件，采用均數±標準差(X±SD)對一般數據進行描述，采用單因素方差分析，采用擬合分析比較不同性別間各指標差異，統計學相關性水平為擬合優度 （R方，R方在0.01-0.09為弱相關，R方在 0.09-0.36為中度相關，R方大于0.49為高度相關），采用多元線性回歸建立爬樓梯能耗的預測方程。

3、結果

3.1、研究對象基本情況

表1 研究對象基本情況

60人全部完成測試。由于女生個別情況特殊，為避免實驗產生巨大誤差棄用少量女生數據，總樣本量為54人（男性30人，女性24人）。男、女身體形態指標見表1，男、女間各指標差異均有統計學意義，男生身高、體重、下肢長均高于女生。

3.2、不同性別相關參數與能耗的分析

經單因素方差分析，不同性別人群以勻速（90步/min）登樓梯相關參數與能耗的關系如表2所示。根據測試結果顯示，男性年齡、BMI、登樓梯時最高心率、臺階數與能耗有相關性，其中男性的年齡、登樓梯時最高心率和臺階數與能耗高度相關（R方＞0.49），BMI與能耗中度相關（R方0.09-0.36）；女性年齡、小腿長、登樓梯時最高心率、臺階數、左右腿肌力與能耗有相關性，其中年齡、登樓梯時最高心率、臺階數、左腿屈肌力與能耗高度相關 （R方＞0.49），小腿長、右腿屈伸肌力、左腿伸肌力與能耗中度相關（R方0.09-0.36）。

表2 男性相關參數與能耗

表3 女性相關參數與能耗

3.3、不同年齡相關參數與能耗的分析

對不同年齡人群相關參數與能耗的分析如表3所示。年齡在39歲以下的男性的身高、BMI、登樓梯時最高心率、臺階數與能耗有相關性，其中登樓梯時最高心率與能耗弱相關，身高、BMI與能耗中度相關，臺階數與能耗高度相關（R方＞0.49）；年齡在39歲以下的女性的小腿長、臺階數與能耗有相關性，均為弱相關 （R方0.01-0.09）；年齡在39歲以上的男性的BMI、登樓梯時最高心率與能耗有相關性，均為弱相關（R方0.01-0.09）；年齡在39歲以上的女性的臺階數與能耗有弱相關（R方0.01-0.09）。

表4 不同年齡相關參數與能耗

4、分析與討論

4.1、身體形態與能量消耗

受試者的年齡、性別、體重、身高等身體形態指標是影響能耗大小的主要因素。本研究結果表明，60名受試者在90步/min登樓梯頻率上具有統計學意義。登樓梯能耗表現為男性大于女性、青年人大于中年人的特點。完成相同負荷的登樓梯運動時,性別和不同年齡之間能耗存在明顯差異,可能與人群間的下肢肌肉力量、動作幅度差異有關。同女性和中年人相比，青年男性下肢肌肉力量大，動作幅度大,相對運動強度要高于中年人和婦女,所以能耗要高于中年人和婦女。

4.2、不同性別登樓梯的能量消耗

如表2所示，男性年齡、BMI、登樓梯時最高心率、臺階數與能耗有相關性，其中男性的年齡、登樓梯時最高心率和臺階數與能耗高度相關，BMI與能耗中度相關；女性年齡、小腿長、登樓梯時最高心率、臺階數與能耗有相關性，其中年齡、登樓梯時最高心率、臺階數與能耗高度相關，小腿長與能耗中度相關。影響男、女性登樓梯能量消耗的因素有所差別，具體差異為男性主要與BMI有較顯著的相關性而與小腿長、腿肌力無明顯相關性，女性主要與小腿長、腿肌力有較顯著的相關性而與BMI無明顯相關性。我們分析存在這種差異的主要原因可能有男性與女性的肌肉含量、激素水平以及代謝狀態均有所差別，這些指標為生理指標在實驗中無法控制；由于男女身高差異較大，因此男女重心也有所差異，這可能也是造成其他參數與能耗相關性差異的原因；此外，男性腿肌力差異不大，但女性由于個體原因腿肌力差異較大，也會造成該參數與能耗相關性的差異。

4.3、推算登樓梯能量消耗的公式

本研究運用多元線性回歸的方法，根據相關參數推導出計算登樓梯能量消耗的方程式。由于登樓能耗不僅與臺階數有關，還與年齡、BMI、登樓梯時最高心率等因素有關，應綜合以上因素一同分析。本研究將經過推算得到的年齡、臺階數、BMI、登樓梯時最高心率、以及小腿長設定為自變量，將能量消耗設定為應變量。

本研究顯示男性的年齡、登樓梯時最高心率、臺階數與登樓梯能量消耗相關系數約為0.7832，范圍是0.7797-0.7865不等，達到高度相關，男性的BMI與登樓梯能量消耗相關系數約為0.4790，達到中度相關。通過JMP軟件逐步回歸分析，發現身高、體重、下肢長等與登樓梯能耗并無顯著性關系，剔除這些參數后，登樓梯能耗只與年齡、登樓梯時最高心率、臺階數、BMI有關。建立預測方程如下：

男：登樓能量消耗（kcal）=0.011×年齡+0.134×登樓梯時最高心率+0.203×臺階數-0.281×BMI-34.78

同樣分析女性的相關數據得，女性的年齡、登樓梯時最高心率、臺階數與登樓梯能量消耗相關系數約為0.7479，范圍是0.6319-0.8998不等，達到高度相關，女性的小腿長與登樓梯能量消耗相關系數約為0.3188，達到中度相關。通過JMP軟件逐步回歸分析，發現身高、體重等與登樓梯能耗并無顯著性關系，剔除這些參數后，登樓梯能耗只與年齡登樓梯時最高心率、臺階數、小腿長有關。建立預測方程如下：

女：登樓能量消耗（kcal）=0.016×年齡+0.268×登樓梯時最高心率+0.117×臺階數-0.119×小腿長-35.8。

經檢驗，該方程有統計學意義（P＜0.01），各偏回歸系數和截距同樣有統計學意義（P＜0.01），說明年齡、臺階數、小腿長、登樓梯時最高心率四個自變量均有意義，且該方程較好的解釋了登樓過程中的能量消耗，具有較大的推廣和應用價值

5、小結

登樓梯臺階的高度、受試者的年齡、性別、身高生物性因素等都是影響登樓梯能耗測量結果的主要因素。本研究與不同速度登山的能耗分析與研究——以南京市紫金山為例研究相比較均發現慢速、中速登樓梯或登山與總的能量消耗無明顯相關性，這也是本研究不采用時間與頻率等相關參數的原因。在實施測試工作時，根據不同的研究目的，控制好這些影響因素，以求測試過程的規范化和標準化，測試結果的準確性和可比性。受試人群的選取上要保證性別、年齡段之間的均衡，以求樣本的代表性良好。此外，本研究發現，男性登樓梯的能耗主要與BMI有較顯著的相關性而與小腿長無明顯相關性，而女性登樓梯的能耗主要與小腿長有較顯著的相關性而與BMI無明顯相關性。本研究根據登樓梯能耗的相關參數特征建立了能耗預測方程，能較準確反映日常爬不同樓層的能量消耗值，以方便人們根據自身情況查詢實際消耗能量。

6、結論

（1）在登樓梯過程中，性別不同能量消耗也不同，總體來說，男性比女性多消耗3kcal左右；

（2）影響男、女性登樓梯能量消耗的因素不同，男性主要與BMI有較顯著的相關性而與小腿長、腿肌力無明顯相關性，女性主要與小腿長、腿肌力有較顯著的相關性而與BMI無明顯相關性；

（3）不同性別分別建立多項式回歸登山能耗預測方程如下：

男：登樓能量消耗（kcal）=0.011×年齡+0.134×登樓梯時最高心率+0.203×臺階數-0.281×BMI-34.78；

女：登樓能量消耗（kcal）=0.016×年齡+0.268×登樓梯時最高心率+0.117×臺階數-0.119×小腿長-35.8。