加速度計在能量代謝檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

吉喆 崔玉鵬 李林 梁蕾

首都體育學院（北京 100191）

加速度計在能量代謝檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

吉喆 崔玉鵬 李林 梁蕾

首都體育學院（北京 100191）

體力活動（Physical Activity，PA）是指所有由于骨骼肌收縮產(chǎn)生的身體活動，PA在基礎(chǔ)代謝的水平上，使身體能量消耗（Energy Expenditure，EE）增加［1］。美國疾病控制與預(yù)防中心 （Centers for Disease Control and Prevention，CDC）和其他運動醫(yī)學組織提出建議：為了促進健康，成人應(yīng)該每天進行30分鐘以上的中等強度運動［2］。PA的好處明顯，但如何檢測PA水平卻是一件有難度的工作，在科研和生活中可以通過檢測身體活動中消耗的能量 （Physical Activity Energy Expenditure，PAEE）評價PA水平，因此需要有效可靠的檢測PAEE的方法。加速度計是近年來被廣泛應(yīng)用的一種多功能的PA檢測工具。它在檢測PA時，可用于身體姿勢和動作的等級劃分、能量消耗的估測、跌倒和平衡控制的評價等多個方面。它的創(chuàng)新之處在于，它是第一個可24小時使用并準確監(jiān)測能量消耗、心率、活動強度水平、運動距離、步數(shù)和睡眠質(zhì)量的綜合性工具［3］。

為了總結(jié)加速度計在能量代謝檢測中應(yīng)用的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問題和解決方法，為今后該類儀器在有關(guān)研究中的應(yīng)用提供參考。本研究通過查閱中外文獻，對加速度計在能量代謝檢測中的應(yīng)用情況進行總結(jié)。（1）檢索CNKI全文數(shù)據(jù)庫，關(guān)鍵詞為“加速度計、能量代謝、體力活動和能量消耗”，文獻篩選標準是：采用加速度計技術(shù)方法；以加速度計在身體活動中的應(yīng)用為主要研究內(nèi)容；近5年且發(fā)表在核心期刊者優(yōu)先。檢索到文獻19篇。（2）檢索Pubmed文摘數(shù)據(jù)庫，關(guān)鍵詞為“Accelerometer，Physical activity and energy expenditure，Reliability，Validity”；文獻篩選標準是：采用加速度計技術(shù)方法，以加速度計的應(yīng)用為主要研究內(nèi)容，近10年且發(fā)表在SCI數(shù)據(jù)庫收錄雜志上的優(yōu)先。檢索到文獻62篇。本文總結(jié)不同種類加速度計在體力活動能量代謝檢測上的應(yīng)用情況，分析各類加速度計在應(yīng)用中的效度和信度。

1 加速度計的分類及工作原理

1.1 加速度計的分類

根據(jù)加速度計內(nèi)部元件的工作機理可將其分為壓阻式、壓電式和電容式三類。根據(jù)加速度計內(nèi)部的加速度傳感器的個數(shù)又可將其分為單軸（垂直軸）加速度計、雙軸加速度計和三軸加速度計［4］。

1.2 加速度計的工作原理

加速度計法是國際上普遍認可的一種PAEE的測量方法，近幾年來，它開始被廣泛應(yīng)用于科學研究中。其原理是通過傳感器將人體運動時的加速度變化轉(zhuǎn)換為電信號，將電信號收集、處理并存儲起來，得到運動中加速度計數(shù)（Counts），即以一定時間間隔采樣的活動頻率和強度。然后將測得的結(jié)果下載到電腦上，通過專門的軟件進行處理分析：根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的性別、年齡、身高、體重及測得的Counts等指標建立回歸方程，推斷出PAEE［5］。它一般有兩種主要的傳感器，一種是加速度計，用于感應(yīng)在一個或幾個方向上的直線加速度，另一種是回轉(zhuǎn)器，用于感受在一個或幾個軸上的角度變化［6］。

2 加速度計在檢測人體能量消耗過程中的應(yīng)用

2.1 身體活動研究中選擇加速度計的原因

以主觀的身體活動日記推測PAEE的方法準確性較低，需要配合客觀準確的PAEE測量方法使用［7］，而雙標水法 （Doubly Labeled Water，DLW）、直接測熱法、間接測熱法（Indirect Calorimetry，IC）測量PAEE雖然準確，但卻價格昂貴，操作復(fù)雜，應(yīng)用有一定的局限性，不適合大樣本人群的使用。與上述的PAEE測量方法相比，加速度計法兼具準確性高、攜帶方便、性價比高等優(yōu)點，越來越受到研究者的關(guān)注。

2.2 如何應(yīng)用加速度計

2.2.1 加速度計佩戴位置的選擇

在大部分研究中，加速度計被固定在人體的髖部或腰部，因為軀干占據(jù)了人體大部分的重量，而腰部接近人體的重心，所以固定在腰髖位置的感應(yīng)器能夠更好地反映人體的主要運動。并且加速度計能夠輕松地被固定在腰髖部水平的帶子上，因此基本不會對人體活動產(chǎn)生干擾［8］。走動、身體姿勢變化和活動的轉(zhuǎn)換都可以被腰部加速度計區(qū)分出來。除此之外，加速度計也可以固定在人體的上臂、腕部或腳踝。

2.2.2 加速度計佩戴時間的選擇

加速度計評價PA水平還需考慮儀器佩戴時間的長短。不同佩帶時間對儀器的有效性有影響，佩戴時間相對長，有效性更好，一般認為4～9日全天佩戴且包括兩個休息日的測量結(jié)果效度較高，實際研究中為了便于操作，常常將佩戴時間縮短為4整天且包含一個休息日［9］。對于兒童少年體力活動的測量，有學者認為連續(xù)7天佩戴加速度計可對每日的中高強度體力活動作出較好評估［10］。也有研究認為佩戴加速度計3天即可反映受試者日常體力活動情況［11］。

2.2.3 幾種常用加速度計的特點與應(yīng)用情況

表1 常見加速度計特點與應(yīng)用情況

2.3 加速度計檢測能量消耗的信度與效度

由表2可見，加速度計測量EE的結(jié)果與標準測熱法檢測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.46～0.97范圍內(nèi)波動；儀器具有較高的可靠性，同一型號機器重復(fù)檢測的相關(guān)系數(shù)在0.73～0.998范圍內(nèi)波動；對于中風偏癱等體力活動障礙人群日常生活中EE檢測，加速度計不適用；對于體力活動強度較低的PAEE檢測，加速度計有誤差；日產(chǎn)加速度計準確性差，對于所有強度運動PAEE的檢測均會產(chǎn)生誤差。

2.4 影響加速度計檢測結(jié)果的主要因素

研究發(fā)現(xiàn)，受試者運動強度和運動形式、加速度計型號、受試者自身特點是影響檢測結(jié)果的主要因素。此外，某些特殊人群不適合應(yīng)用加速度計檢測PAEE。

2.4.1 運動形式

不同的運動形式對加速度計的檢測結(jié)果有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)與IC檢測結(jié)果相比較，加速度計一般會低估有一定傾角運動形式的EE，如上下樓梯、在斜坡上運動等［33］。且對于固定在腰部的加速度計來說，人體上身的移動、靜態(tài)運動和姿勢變換產(chǎn)生的能量消耗不能得到準確測量［34］。

2.4.2 運動強度

不同的運動強度會對加速度計的檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，有研究分別對不同運動強度運動中加速度計與IC估測的EE進行了比較，發(fā)現(xiàn)中等強度、大強度體力活動時兩者數(shù)據(jù)高度相關(guān)，但小強度體力活動時，二者相關(guān)性較低［35］，這可以解釋加速度計能夠準確測量中等強度、大強度PAEE，但對于久坐行為的EE測定不夠準確。

2.4.3 運動時間

運動時間的長短也對加速度計的檢測結(jié)果有影響，有研究發(fā)現(xiàn)長時間PAEE的測定，加速度計相對于雙標水法會略低估EE，儀器的可靠性有待提高［36］。

2.4.4 受試者自身特點

體力活動水平特別低的人群不適合日常生活中PAEE檢測。有研究以中風偏癱患者為研究對象，發(fā)現(xiàn)加速度計與IC相比，相關(guān)系數(shù)僅0.004［37］。

表2 加速度計檢測EE信度與效度［21-32］

此外，現(xiàn)存的加速度計在PAEE的測量中，不能準確測量肌肉等長收縮、上身的移動、姿勢變換產(chǎn)生的EE，不能測量游泳等在水中進行的PAEE［38］。最新的GT3X+、RT3已經(jīng)增加了防水功能，具體應(yīng)用還需在實踐中探索。另外，目前還缺乏適用于我國各年齡段國民的加速度計計數(shù)與PAEE的回歸方程。

3 研究中配合加速度計使用的主要方法

調(diào)查問卷法是評估體力活動水平經(jīng)常使用的一種方法，能提供受試者參加的各種運動形式的信息。在評測運動的環(huán)境、運動形式和某些運動行為的決定因素方面，自我報告法比客觀的體力活動評測更具優(yōu)勢［39］，但缺點在于不能完全記錄全天的所有身體活動，并且對于老人等以靜態(tài)生活方式為主的人群，他們從事的運動更多是小強度的身體活動，如家務(wù)勞動等，一般不會在問卷中體現(xiàn)［40］。膳食調(diào)查法以能量攝入量反映EE，通過調(diào)查受試者在某一時期內(nèi)攝入的能量來反映其EE，評定受試者的運動量，科學制定減肥運動處方［41］。常見方法有稱重法、記賬法、詢問法和化學分析法等［42］。24小時詢問回顧法是膳食調(diào)查經(jīng)常使用的方法，有人采用該方法對9～10歲肥胖兒童進行了膳食調(diào)查，估測能量攝入，結(jié)合PAEE的測量，為肥胖兒童提供合適的運動處方［43］。

加速度計是客觀準確的PAEE測量工具。受試者運動強度和運動方式、加速度計型號、佩戴時間及受試者自身特點是影響檢測結(jié)果的主要因素。加速度計檢測熱能消耗方法適用于年齡65歲以下、自主運動無障礙、體力活動較多的人群的研究。

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2012.01.30

2010年度北京市教委人才強教深化計劃“學術(shù)創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃”子課題項目

崔玉鵬，Email：cuiyupeng@cupes.edu.cn