運用計步器測量步行之研究

戴劍松　李　靖　顧忠科　孫　飆

摘要：目的：驗證計步器對步行的測量信度和效度。方法：研究對象為在校大學(xué)生共計30名（男性15名，女性15名）。受試者身體右側(cè)平肚臍鎖骨中線處和腋前線交點處分別佩帶計步器，在跑臺上分別以2 mph、3 mph、4 mph、5 mph、6 mph5種速度步行800 m，記錄計步器計數(shù)和實際步數(shù)，通過間接熱量法測試步行代謝情況。結(jié)果：步行速度為2 mph時，計步器精確性下降，放置于不同部位的兩個計步器計數(shù)與實際步數(shù)誤差率分別為17.31%、24.3%；當步速大于3 mph時，誤差率明顯下降，且不同部位計數(shù)無差異；5種速度下步數(shù)、步頻、步幅差異有統(tǒng)計學(xué)意義，但從4 mph增加至5 mph時，步數(shù)、步幅變化無統(tǒng)計學(xué)意義，形態(tài)指標與步數(shù)相關(guān)系數(shù)最大出現(xiàn)在速度為4 mph時；在完成同樣距離步行時，不同步速下總能量消耗不同，慢跑總耗能大于步行。結(jié)論：以不低于正常步速行走時，計步器可以精確記錄步數(shù)，放置位置不同對于計步器計數(shù)無明顯影響。在完成相同距離步行時，隨著速度加快，步幅加大，計步器計數(shù)減少，實際能量消耗增加。

關(guān)鍵詞：計步器；步行；能量消耗

中圖分類號：G804.61文獻標識碼：A文章編號：1007-3612(2008)02-0219-04

現(xiàn)代電子計步器是一種簡便實用的體力活動測量技術(shù)，其主要部件是一個水平的彈簧懸掛杠桿，當髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生垂直加速度（步行時，髖關(guān)節(jié)上下運動），杠桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)。每一次杠桿的偏轉(zhuǎn)都讓閉合電路發(fā)生接通，并使得記數(shù)累加。由于計步器在設(shè)計上主要是感應(yīng)垂直加速度，因此理論上它對步行活動（走或跑）最為敏感。深入地研究計步器在測量步行的價值對于人們增加對步行的了解，科學(xué)制訂步行運動處方、運用計步器指導(dǎo)健身走具有重要意義，因為步行是最普及，最基礎(chǔ)，最重要的體力活動之一。本研究即運用計步器深入研究計步器測量不同步速行走的可信度，步數(shù)與身體形態(tài)指標、步行特征、能量代謝之間的關(guān)系，探討計步器對于步行的指導(dǎo)意義。

1研究對象與方法

1.1研究對象隨機選取南京體育學(xué)院運動人體科學(xué)專業(yè)、社會體育專業(yè)大學(xué)生各15名，共計30名，其中男性15名，女性15名，平均年齡(20.43±0.97)歲。

1.2研究方法

1.2.1形態(tài)測量采用標準方法測試身高、體重、腰圍、臀圍、下肢長（髂前上棘至地面距離）、上臂部皮褶厚度、肩胛部皮褶厚度，計算BMI指數(shù)（體重/身高2）、WHR指數(shù)（腰圍/臀圍）、體脂率。體脂率計算采用如下方法［1］：

1） 計算體密度D

男子：Ｄ＝1.0913－0.0016×（上臂皮褶厚度＋肩胛皮褶厚度）；

女子：Ｄ＝1.0897－0.00133×（上臂皮褶厚度＋肩胛皮褶厚度）；

2） 計算體脂率（%）

體脂率（%）＝（4.570/D－4.142）×100；

1.2.2步行測試在實驗室跑臺上進行步行測試，跑臺為德國h/p/cosmos公司產(chǎn)Mercury 4.0型專業(yè)跑臺，分別設(shè)定步行速度為2、3、4、5、6 mph（英里/小時），受試者在跑臺上以該5種速度完成800 m步行或慢跑。2mph代表慢走，3mph代表正常步速行走，4mph代表快走，5mph代表慢跑，6mph代表中速跑，本研究采用的速度與國外同類研究一致［5,6,8,11］。計步器采用日本Yamax公司產(chǎn)Digi-Walker200型計步器，將兩個計步器固定在受試者身體右側(cè)平肚臍鎖骨中線處和腋前線交點處。首先讓受試者適應(yīng)跑臺上步行，然后正式測試，要求受試者在測試過程中以盡可能自然、放松、均勻的步態(tài)行走。測試前將計步器回零，完成800米步行后，跑臺自動停機，受試者停止身體移動，記錄此時計步器計數(shù)，并填寫主觀疲勞感覺（RPE量表）。由3名工作人員全程記錄每名受試者在完成5種速度步行時的實際步數(shù)，記錄保持獨立，經(jīng)分析，3名工作人員計數(shù)基本一致，彼此誤差極小。根據(jù)以下公式計算下列指標：

1） 計步器誤差率（%）＝（實際步數(shù)－計步器計數(shù)）/實際步數(shù)×100%；

2） 步幅＝步行距離/平均實際步數(shù)；

3） 步頻＝平均實際步數(shù)/步行時間；

采用美國產(chǎn)MAX-Ⅱ氣體代謝系統(tǒng)測量步行能量消耗，步行時佩帶一密閉面罩，通過連接面罩的管道收集受試者吸入和呼出氣體，并通過該系統(tǒng)進行氣體分析，設(shè)定系統(tǒng)采樣頻率為每10秒采樣一次。面罩佩帶以舒適為度。輸出結(jié)果包括：攝氧量（VO₂）、二氧化碳排出量（VCO₂）、呼吸商（RQ）、心率（HR）、單位時間單位體重攝氧量（ml/kg/min）、總熱量消耗（kcal）等。根據(jù)體重和每種速度相應(yīng)步行時間推算單位時間單位體重熱量消耗（kcal/kg/min）、代謝當量（METs）。在每次正式測試前，首先以相應(yīng)測試速度步行2分鐘，達到熱身和提高代謝水平、心率的目的，目的是盡可能保證正式測試時心肺功能處于穩(wěn)態(tài)。每一速度測試后休息間隔為10～15 min，在完成2 mph、3 mph、4 mph三個速度測試后即更換另一名受試者完成同樣測試，再換前者完成測試5 mph和6 mph的測試，避免疲勞影響測試結(jié)果。

1.3統(tǒng)計方法數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SAS8.0統(tǒng)計軟件，采用均數(shù)和標準差（x±s）對各變量進行描述。采用單因素方差分析比較5種速度下，計步器計數(shù)、實際步數(shù)、步幅、步頻和代謝水平，采用相關(guān)分析比較身體形態(tài)指標與五種速度步行時步數(shù)相關(guān)系數(shù)，采用T檢驗比較不同性別間各指標差異。

2結(jié)果

2.1研究對象基本情況

30人全部完成測試。男、女性身體形態(tài)指標見表1，男女間各指標差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，男性身高、體重、下肢長均大于女性，女性體脂率高于男性，男性下肢較長可能造成其相對步幅較大。

2.2計步器記錄步行的分析在以2mph速度步行時，計步器計數(shù)誤差較大（表2），且放置于不同部位計數(shù)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。當步行速度達到3mph時，誤差率明顯降低，快走或慢跑時（速度大于4mph）誤差率低于0.2%。3mph以上速度，不同部位計步器計數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

經(jīng)單因素方差分析，無論男性或女性，5種速度下計步器計數(shù)、實際步數(shù)、步幅、步頻均有差異（P＜0.01）。經(jīng)組間比較分析，4mph和5mph步行時，計步器計數(shù)、實際步數(shù)、步幅差異無顯著性。經(jīng)T檢驗，除4mph步行時，不同性別實際步數(shù)、步幅、步頻差異有高度顯著性外（P＜0.01），其余速度下，步行參數(shù)男女差異無顯著性（表3）。

5種速度下，步數(shù)與身高、體重、下肢長負相關(guān)，與體脂率正相關(guān)，各相關(guān)系數(shù)最大值均出現(xiàn)在4mph情況下（表4）。

2.3步行代謝狀況的分析經(jīng)單因素方差分析，無論男性或女性，5種速度下VO2、VCO2、呼吸商、心率、熱量消耗、METs、主觀疲勞感覺差異均達到高度顯著性（P＜0.01，表5）。

3討論

3.1計步器測量步行研究由于計步器在設(shè)計上主要是感應(yīng)垂直加速度，因此理論上它對步行活動（走或跑）最為敏感。Bassett，Crouter，Patrick，Schneider等［4,5,11］對市面上不同的計步器做了對比研究，發(fā)現(xiàn)不同計步器的敏感性有差異，其原因可能是不同計步器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及彈簧張力不同，其中日本Yamax公司生產(chǎn)的計步器被公認為最精確的計步器［5,11.12］。本研究即采用被廣泛認為是最精確的Yamax公司產(chǎn)Digi-Walker200型計步器。多數(shù)研究表明當步行速度減慢時，計步器測量準確性下降，比如，Yamax計步器能感應(yīng)的最小加速度范圍是0.35-0.5個重力加速度，小于0.35個重力加速度的作用力可能無法被計步器感應(yīng)［9］。本研究顯示當步行速度較慢時（速度為2mph），計步器計數(shù)與實際步數(shù)誤差較大，這與多數(shù)研究認為當步行速度小于2mph時計步器測量不甚精確一致［3-7］，Beets［10］對兒童的研究同樣表明，當步速小于2mph時，計步器計數(shù)同樣產(chǎn)生較大誤差，說明慢速行走時計步器精確性下降主要是由于計步器無法感知此時的重力加速度，而與研究對象無關(guān)。因此，計步器可能不太適合測量行走緩慢或步態(tài)失調(diào)老年人的體力活動。當達到正常步速行走時，本研究顯示計步器計數(shù)精確度提高，誤差為2%～5%，在快走情況下（速度大于4mph）誤差小于0.2%，Bassett［4］、Crouter［5］的研究報道Yamax Digiwalker可以非常精確地記錄從2mph到4mph的步數(shù)，本研究進一步表明即使速度超過4mph，在慢跑（5mph）和中速跑（6mph）情況下，計步器仍然精確記錄步數(shù)，說明Yamax Digiwalker計步器對于正常步速、快走或慢跑的測量比較精確，在慢跑情況下，并沒有因為髖關(guān)節(jié)上下運動幅度加劇而導(dǎo)致計數(shù)不準。

Schutz［13］認為雖然計步器測量慢速步行精確度下降，但對普通人而言其精度仍然是可靠的，因為人們?nèi)粘；顒又械牟叫兴俣群苌俚陀?mph，但對于速度較慢的散步（速度小于2mph），計步器可能低估了實際步數(shù)。Bassett［4］曾報道佩帶的部位不同對計步器計數(shù)有影響，Shepherd［14］的研究則認為計步器對于肥胖人群的測量精確性下降，其原因可能是腹型肥胖可能干擾了讀數(shù)的精確性，也有可能是放置的位置不正確或緩沖了垂直方向的加速度。本研究顯示除2mph速度步行，放置位置不同對計數(shù)有影響外，速度大于2mph的步行，佩帶部位不同對計數(shù)沒有影響。Swarts［6］的研究同樣表明當步行速度超過3mph時，計步器在測量不同BMI指數(shù)人群（正常體重、超重、肥胖）以及放置于腰間不同位置（腋前線，腋中線，腋后線）時，其測試準確性沒有差異。本研究同樣證實，對普通人而言，只要以正常步速行走，將計步器放置在腰間任何位置對計數(shù)精確性不會產(chǎn)生明顯影響。即便在散步時（速度小于2mph），由于計步器無法精確感應(yīng)髖關(guān)節(jié)的垂直加速度，無論放置在何位置，其計數(shù)均不準確。某些現(xiàn)代計步器假如提供步幅，那么還可以計算步行距離。有些計步器通過輸入體重等個人信息，還可以計算能量消耗，但一般認為［17］，計步器所能提供的信息中，最準確的仍然是步數(shù)，用計步器估算步行距離、能量消耗顯然存在誤差，Crouter［5］的研究也認為計步器輸出結(jié)果中最準確的是步數(shù)，其次是步行距離，準確性最差的是推算的能量消耗。

隨著步行速度加快，步幅加大，在完成同樣距離步行時，計步器計數(shù)減少，經(jīng)統(tǒng)計分析5種速度下步數(shù)、步頻、步幅差異有統(tǒng)計學(xué)意義，經(jīng)組間多重比較，步行速度從4mph增加至5mph時，計步器計數(shù)、步幅變化無統(tǒng)計學(xué)意義，說明由快走過渡為慢跑時，只是通過增加步頻來實現(xiàn)速度加快，步幅變化不大。從不同性別比較來看，男性雖然下肢普遍比女性長，但除快走情況下（速度為4mph），男女步數(shù)、步幅、步頻無差異，說明正常行走或慢跑，步數(shù)、步頻、步幅與下肢長短關(guān)系不密切，但在快走情況下下肢長與步數(shù)、步幅、步頻關(guān)系比較密切，表4中顯示步數(shù)與身高、體重、下肢長相關(guān)系數(shù)最大值出現(xiàn)在快走時證明了這一點，Welk［8］的研究也表明形態(tài)指標與步數(shù)相關(guān)系數(shù)最大出現(xiàn)在速度為4mph時，說明快走時，身材高矮對步數(shù)影響較大。男性由于下肢長，步幅較大，因此以4mph速度步行時，步頻相比女性慢，女性則依靠增加步頻來保持快走時的速度。

3.2步行能量消耗從表5顯示的步行代謝情況顯示，隨著速度加快，心率、攝氧量、呼吸商、單位能耗均逐漸增加，表明心肺功能隨著運動強度增加逐步提高。5種速度下，完成800米穩(wěn)態(tài)勻速步行總能量消耗差異有統(tǒng)計學(xué)意義，多重比較顯示各組間能量消耗同樣有統(tǒng)計學(xué)意義，其中3mph步行能量消耗最少，可能與正常步行是耗能最少，最經(jīng)濟的活動有關(guān)，2mph步行由于速度較慢，顯著延長了完成同樣距離步行的時間，能量消耗相對3mph時是增加的，由快走（4mph）到慢跑（5mph），總能量消耗增加最明顯，其原因可能是慢跑是一種全身運動，全身肌肉動員較多，因此能量消耗較多，快走則屬于以下肢為主的運動有關(guān)。本研究提示，在完成相同距離步行時，運動強度（速度）不同，總熱量消耗不完全一致，熱量消耗不僅與單位能耗有關(guān)，運動時間也是重要的因素，具體而言，慢跑能量消耗大于快走，雖然快步走以其安全性、實用性常常被推薦為中老年人最佳運動方式之一，但仍不可忽視慢跑能量消耗較多這一特點，尤其是在減肥運動中，慢跑比快走消耗了更多熱量。MET也是評價代謝水平的重要指標，按照與美國疾控中心（CDC）［15］制定的標準，小于3METs是低強度活動，3～6是中等強度活動，大于6METs是大強度活動，根據(jù)此標準，2mph、3mph基本屬于低強度活動，4mph屬于中等強度活動，5mph、6mph屬于大強度活動。CDC制定的主觀疲勞感覺（RPE）［16］標準是，小于12為低強度活動，12～14為中等強度活動，大于14為大強度活動，根據(jù)該標準，2mph、3mph、4mph、5mph均屬于低強度活動，6mph屬于中等強度活動，上述結(jié)果說明代謝水平與主觀疲勞感覺不完全一致，因此，在衡量步行強度時，應(yīng)當注意將客觀指標與主觀感覺結(jié)合分析。

4總結(jié)

計步器無法精確記錄速度小于2mph的步行，但可以非常精確地記錄從3mph至6mph時的步數(shù)。佩帶位置不同對計步器計數(shù)影響不大。在完成相同距離步行時，隨著速度加快，步幅加大，步頻加快，計步器計數(shù)減少，實際能量消耗增加。提示若以正常步速行走或快走、慢跑時，能夠精確地反映實際步數(shù)，如果實施通過步行增加體力活動的干預(yù)措施，計步器具有潛在的應(yīng)用價值。

參考文獻：

［1］ 姚鴻恩.體育保健學(xué)(第一版)［M］.北京:人民體育出版社，2001：75.

［2］ U. S. department of health and human service. Physical activity and health: a report of the Surgeon General. Atlanta, GA: U.S. department of health and human service, center for disease control and prevention, national center for chronic disease prevention and health promotion,1996:20-144.

［3］ Tudor-Locke C, Williams JE, Reis JP, et al. Utility of pedometer for assessing physical activity: Convergent validity. Sports Med,2002,32(12):795-808.

［4］ Bassett DR Jr, Ainsworth BE, Leggett SR, et al. Accuracy of five electronic pedometers for measuring distance walked. Med Sci Sports Exerc,1996,28(8):1071-1077.

［5］ Crouter SE, Schneider PL, Karabulut M. Validity of 10 electronic pedometers for measuring steps, distance, and energy cost. Med Sci Sports Exerc, 2003, 35(8):1455-1467.

［6］ Swartz AM, Bassett DR, Moore JB, et al. Effects of body mass index on the accuracy of an electronic pedometer. Int J Sports Med,2003,24(8):588-592.

［7］ Bassett DR. Validity and reliability issue in objective monitoring of physical activity. Research quarterly for exercise and sport,2000,71(1):30-36.

［8］ Welk GJ, Differding JA, Thompson RW, et al. The utility of the digi-walker step counter to assess daily physical activity patterns. Med Sci Sports Exerc, 2000,32(9):481-488.

［9］ Hatano Y. Use of the pedometer for promoting daily walking exercise［J］. Int. Council Health, Phys, Educ, Recr,1993,29:4-28.

［10］ Beets MW, Patton MM, Edwards S. The accuracy of pedometer steps and time during walking in children. Med Sci Sports Exerc,2004,37(03):513-520.

［11］ Schneider PL, Crouter SE, Lukajic O, et al. Accuracy and reliability of 10 pedometers for measuring steps over a 400-m walk. Med Sci Sports Exerc,2003,35(10):1779-1784.

［12］ Catrine E, Tudor-Locke, Anita M. Myers. Challenges and opportunities for measuring physical activity in sedentary adults. Sports Med,2001,31(2):91-100.

［13］ Schutz Y, Weinsier S, Terrier P, et al. A new accelerometric method to assess the daily walking practice. Int J Obes Relat Metab Disord,2002,26:111-118.

［14］ Shepherd EF, Toloza E, McClung CD, et al. Step activity monitor: increased accuracy in quantifying ambulatory activity. J Orthop Res,1999,17(5):703-708.

［15］ http://www.cdc.gov/nccdphp/dnpa/physical/measuring/met.htm.

［16］ http://www.cdc.gov/nccdphp/dnpa/physical/measuring/perceived_exertion.htm.

［17］ Montoye HJ, Kemper HCG, Saris WHM, et al. Measuring physical activity and energy expenditure. Human Kinetics，1996：72-75.