三维加速度counts 估算不同步速能量消耗应用初探

管培培，丁宁炜，汤强，刘春辉

(1.淮安体育运动学校，江苏 淮安 223001;2.江苏省体育科学研究所，江苏 南京 210033;3.南京体育学院，江苏 南京 210014)

双标水法(DLW)和间接热测定法是准确测定能量消耗(Energy Expenditure，EE)的“金标准”［1］，但是它们在测量人体自由条件下身体运动能耗时存在诸多挑战。较为新颖的运动传感器法为实验室提供了更好的选择，其中三轴加速度计从物理学角度提供了对人体运动进行客观评价的新方法，也为构建新型的运动数据分析和处理装置提供了新思路［2］。

加速度计是通过压电陶瓷产生形变转化成电信号这一原理工作的。压电陶瓷所产生的电压信号，在被过滤和放大之后，经A/D 转换。再通过不同的运算法测和途径转变为最终的加速度计数(counts)［3］。counts 代表加速度绝对值的积分的复位次数，1min 内积分的复位次数定为counts/min，即1min 内身体活动的频率与强度［4］。尽管很多的体力活动研究可以用原始的counts 来解释，但是体力活动强度最终量化需要将加速度采集的信息转化为更加有价值或可以容易解释的标准单位，这个过程称为校准［5］。例如通过与标准的间接热测定法对比，获取专门的方程，来推算产热量、摄氧量(VO2)、METs 等，校准方程的应用可以改进我们对counts 认识与利用水平。

1 研究内容与方法

1.1 实验对象及分组

共选取(20 ～26)岁普通健康受试者115 名，其中男57 人，女58 人，受试者按性别体重分为以下6 组:

A 组:男性 体重〈65kg

B 组:男性65≤〈体重〈75kg

C 组:男性 体重≥75kg

D 组:女性 体重〈55kg

E 组:女性55kg≤体重〈65kg

F 组:女性 体重≥65kg

表1 不同体重组受试者基本特征比较

表1 不同体重组受试者基本特征比较

注:不同体重组间横向比较，除年龄外，其他身体指标组间差异(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)年龄(岁) 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体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去脂体重(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 实验方法

1.2.1 实验主要仪器及测试指标:

(1)国家标准身高体重仪。

(2)韩国BIOSPACE 生产的Inbody3.0 体成分分析仪。

(3)美国ActiGraph 公司生产的GT3X 三轴加速度计:矢状轴、冠状轴、垂直轴上各自counts 以及合矢量Vector 的counts。

(4)Cortex－3B(德国)便携式气体代谢分析仪:能量消耗相关指标VO2(l/min)、VO2(ml·kg－1·min－1)、METs、能耗(kcal/min)等。

1.2.2 实验方案

实验采用六级步速，选择了由轻度渐增至高强度体力活动的强度范围。参照美国第十版 RDA(Recommended Dietary Allowance)中体力活动的分级标准［6］，将 本 实 验 步 速 设 定 为4.8km/h、5.6km/h、6.4km/h步行和7.2km/h、8.0km/h、8.8km/h 慢跑。每级步速采用6min 运动测试参考Wasserman 等［7］(1994)有关特定负荷运动中，人体代谢稳定阶段最早出现在4～6min，此时呼吸交换律、VO2、心率、MET 等各项代谢指标趋于稳定的研究结论。

测试前，每位受试者安静休息约30min。然后佩戴Cortex－3B(德国)便携式气体代谢分析仪，ActiGraph GT3X 加速度计，加速度计佩戴于腋下中线与肚脐平行线相交处左右两侧，每侧各一个;要求受试者尽可能的以自然、放松、匀速的步态进行测试。

1.3 数据处理

数据统计采用SPSS13.0 统计软件，采用均数±标准差对各变量进行描述，运用T 检验和方差分析来比较不同性别、不同速度、不同体重组之间VO2和counts 变化特征。

运用回归分析和相关分析，比较失状轴、冠状轴、垂直轴的counts 以及合矢量counts 与能耗指标相关性，提出能耗推算方程，并检验其信效度。

2 结果与分析

2.1 不同步速下能耗与三维counts 变化的性别特征

表2 不同性别间能耗指标的比较

表2 不同性别间能耗指标的比较

注:相同步速下，不同性别间能耗指标VO2、METs 的比较，*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 显示，在4.8km/h、5.6km/h、6.4km/h 步速下，VO2和METs 不同性别间均无显著性差异(P〉0.05)，这与Alex 等人［8－9］研究结论相似，在步行与日常中低强度的身体运动中能量消耗METs 没有性别差异，可能是由于中低强度的负荷没有给予机体充分的刺激，以致性别之间的差异观测不到;当步行转变为慢跑，步速以7.2km/h、8.0km/h、8.8km/h 递增时，性别间VO2、METs 差异具有统计学意义，男女METs 差值依次为0.51、0.64、1.1，呈逐渐递增趋势。

表3 不同性别间三维counts 比较

表3 不同性别间三维counts 比较

注:相同步速下，不同性别间三维counts 的比较，*P〈0.05，＊＊P〈0.01。

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表3 描述不同性别间三维counts 的比较，结果显示合矢量counts 在6 种不同步速下，性别间差异不具统计学意义(P〉0.05);垂直轴counts 性别间比较发现，男性显著高于女性(P〈0.05)，随着步速的增加，差异显著性提高;矢状轴counts 除6.4km/h 外，其余各速度男性与女性counts 均有极显著性差异(P〈0.01);冠状轴counts 性别间差异呈现不规律分布;女性矢状轴、冠状轴counts 感应步速改变要更加明显;在较高步速下慢跑，男性受试者垂直轴在合矢量counts中的贡献率较高，相比之下，女性受试者在矢状轴和冠状轴counts 数值要高于男性，这可能与跑步中女性身体在水平面内摆动幅度较大及身高、下肢长度和步态有关。

2.2 不同步速能耗与counts 变化的体重组别特征

图1 METs 与合矢量counts 的体重组别特

从图1 不同体重组METs 值变化趋势可以看出，较大体重组明显偏低，接近标准体重人群的METs 值最高，这可能与大体重人群体脂含量较高，非脂体重比例偏小，导致运动过程中相对能耗偏低有关［10］;经T 检验，不同体重组间合矢量counts 差异不具有统计学意义(P〉0.05)，男性与女性随体重增加counts 平均值变化趋势不明显;合矢量counts 与体重相关性较低，或可认为合矢量counts 由体重解释的部分较少，这为是否选取体重与合矢量counts 共同解释能量消耗提供了依据。

2.3 其他身体指标与能量消耗的相关性

表4 身体各指标与能耗指标的偏相关分析

表4 是在控制变量步速后，人体各身体指标与METs 和能耗之间的相关性。由表可以看出，身高与去脂体重与MET 无显著相关，体重、性别、BMI 都在0.2左右水平上显著相关，而BMI 指标综合了体重与身高的因素，这为下文提出方程需要着重考虑BMI 提供了依据。

2.4 不同强度身体活动counts/min 切点的界定

通过对115 名受试者采集的数据，经回归分析得如下实验结果。

图2 合矢量、单轴(垂直轴)counts 与METs 关系

关于体力METs 值划分体力活动等级，采用Bouchard 等［11］在评估儿童与成人体力活动能量消耗的分级标准。

Freedson 等［12］在校准单轴加速等计CSA(Computer Science and Applications)研究中，实验方案选取健康成年受试者50 人，在跑步机上采用4.8km/h、6.4km/h、9.7km/h 速度;Sasaki 等［13］研究认为GT3X 合矢量counts切点为≤2491cnts/min、(2491 ～5944)cnts/min、(5945 ～10536)cnts/min、≥10537cnts/min。相对比本实验划分的counts 范围，国外早期研究在高强度、极高强度体力活动counts 切点数值较大，这可能与实验设计、选取人群、采样间隔epoch、加速度计类型等有关。

表5 不同强度体力活动counts 范围推算

2.5 基于合矢量counts 能耗推算方程的建立

表6 不同步速下能耗指标与合矢量counts 数值

表6 不同步速下能耗指标与合矢量counts 数值

(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

根据以上实验结果，不同步速的运动相应引起了加速度与能量消耗的变化，采用多重线性回归分析，用逐步后退法建立回归方程，并对各变量回归系数进行检验，将身高、去脂体重、体重从自变量中逐一剔除，提出合矢量counts 与VO2(ml·kg－1·min－1)、METs、能耗(kcal·min－1)的线性回归方程。

最终变量确定为合矢量(Vector)counts、性别、BMI，其中合矢量单位counts/5s，性别(男=1，女=0)，方程如下:

①VO2(ml·kg－1·min－1) =0.039×Vector+0.728×性别－0.51×BMI+14.188

(R2=0.747，SEE=4.34ml·kg－1·min－1，线性假设检验F=649，P〈0.001)

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

(R2=0.746，SEE=1.24METs，线性假设检验F=646，P〈0.001)

③能耗(kcal/min)=0.13×Vector+1.193×性别+0.194×BMI－4.235(R2=0.792，SEE=1.36kcal/min，线性假设检验F=836，P〈0.001)

经线性假设检验，三方程均具有统计学意义。

3 讨论与建议

评估身体运动有许多方法，其中三轴加速度计因其设计人性化、适用性强、精确、便携、佩戴方便而备受重视。经改进量化的工具和方法有助于提高我们对身体运动的认识水平，实验室研究需要探索整合能耗推算处理方法，提供更多具有实践意义的工具应用经验。

目前，国内三轴加速度计运用多数旨在探讨儿童和肥胖人群体质与体力活动关系，能耗推算依照Freedson 等人提出的经典回归方程。方程校准以欧美人群为主，应用于国内人群研究时，经典回归方程是否需要校准和改良是目前三轴加速度计应用中存在的主要问题。本研究以国内人群为样本，探索counts 与能耗指标的关系，并提出相应的推算方程，实验结果可为国内运用三轴加速度计评估身体运动提供参考。

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