運動能量消耗簡易測量方法

王振萍

(新疆藝術(shù)學院基礎(chǔ)部，新疆 烏魯木齊 830049)

間接測熱法(IC)和雙標水法(DLW)已被證實為測量能量消耗的金標準，但由于操作繁雜、成本較高等原因，很難用來測量大樣本人群自由生活狀態(tài)下的能量消耗。體力活動日志是調(diào)查研究中常用的一種方法，但其結(jié)果與實際能量消耗偏差較大，且一致性差。傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人體體力活動能量消耗的測量中，為獲知每天的體力活動水平和能量消耗提供客觀數(shù)據(jù)〔1〕。

Sense Wear Armband(SWA)Pr03是美國Body Media公司生產(chǎn)的一種臂帶式多功能傳感器，可以動態(tài)檢測受試者日常體力活動和睡眠行為的相關(guān)數(shù)據(jù)。對于預(yù)測低強度運動時能量消耗更有優(yōu)勢。SWA測量自由生活狀態(tài)下的能量消耗時，與DLW測量法相比存在低估的現(xiàn)象，但兩種測量方法在測量每天能量消耗時的一致性較好。但也有研究指出，只有受試者每天能量消耗較高時，SWA才會低估能量消耗，而每天能量消耗較低時，SWA存在高估能量消耗的現(xiàn)象，同樣，兩者測量的一致性均在可接受的范圍(與DLW測量相比較)〔2〕。使用SWA測量運動能量消耗時，各個版本的SWA儀器測試數(shù)據(jù)有所區(qū)別;而且，同一儀器測試的數(shù)據(jù)經(jīng)不同的軟件版本計算后能量消耗數(shù)值也有所不同。不同版本的SWA對于測量日常體力活動和運動能量消耗的結(jié)果不盡相同，其用于測量運動健身時能量消耗的有效性如何，目前不得而知。

1 對象與方法

1.1 對象 成年男性15名，均為右利手，年齡(23±3)歲，身高(174.2±5)cm，體重(68.3±11)kg，體重指數(shù)(BMI)(22.5±3.4)kg/m2，體脂率(17±9.4)%。受試者經(jīng)病史和體格檢查，均無呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等方面的疾病，鍛煉習慣為每周均有大于6 h中等強度的運動。

1.2 測試方案 受試者的所有測試內(nèi)容在1 w內(nèi)的非連續(xù)日子內(nèi)完成。先進行平板運動跑臺測試，1 w內(nèi)完成自行車測試。兩次測試順序均隨機完成，每次測試均佩戴SWA，同時使用便攜式氣體代謝儀完成間接測熱法的能量消耗測試。測試前12 h清淡飲食，無劇烈活動，未吸煙及飲用含有咖啡因的飲料。測試時受試者穿上舒適全棉的運動服和運動鞋，空腹2～3 h后進行。

1.3 平板運動跑臺測試 測試前，受試者在平板運動跑臺上進行適應(yīng)性運動3 min。測試開始后囑受試者手握扶手在平板運動跑臺上站立5 min，完成安靜狀態(tài)下數(shù)據(jù)的采集，然后每人完成4.8 km/h(3 mph)、6.4 km/h(4 mph)、8.0 km/h(5 mph)3個速度的走、跑，坡度設(shè)置為0，每個速度6 min，運動過程中受試者不握扶手，連續(xù)運動共18 min。平板運動跑臺測試所在實驗室溫度為21.7℃ ±1.5℃，測試環(huán)境 Q濃度為23.93%，CQ濃度為0.03%。

1.4 室內(nèi)場地自行車測試 自行車測試在一個90×50 m2的室內(nèi)空置廠房完成，地板為水泥地，囑受試者繞圈騎行。測試前，根據(jù)每位受試者的身材條件調(diào)整自行車的鞍座、車把和腳蹬位置，以達到身體稍微前傾、手臂稍微彎曲的最佳的騎行姿勢。受試者先騎自行車進行適應(yīng)性運動3 min。測試開始后每位受試者先保持坐位安靜狀態(tài)5 min，然后每人按照自行車所裝碼表顯示的速度進行10、13、15 km/h 3個速度的騎行，每2個速度之間休息1～3 min，以休息到安靜時心率為準。受試者均使用同一輛自行車進行測試，自行車為普通輕便車，輪胎直徑為26英寸，車胎充氣充足。

1.5 測試設(shè)備 在每次測試前均需連接電腦軟件輸入受試者的個人信息(出生年月日、身高、體重、性別、優(yōu)勢手信息、是否抽煙)，然后提前5 min佩戴于受試者的優(yōu)勢手一側(cè)的上臂肱三頭肌處，佩戴前保持上臂皮膚干燥。每名受試者測試后均使用數(shù)據(jù)線將儀器連接到電腦，通過Sensewear 6.1軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機并保存為軟件可以識別的swd文件，再進行下一名受試者的測試。測試中采用同一個心率表(Polar，F(xiàn)inland)和間接測量儀器。身高的測量采用鑫東華騰CJ-Ⅱ(自動)身高測試儀，體重采用高精度數(shù)顯電子人體秤RCS-160;身體脂肪含量采用GE雙能X線吸收掃描儀。

1.6 數(shù)據(jù)處理 使用SWA6.1和SWA7.0兩個軟件版本分別對SWAPrO3測得的swd文件內(nèi)數(shù)據(jù)進行計算，讀取受試者安靜狀態(tài)、走跑和自行車每個速度全程數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)軟件計算的能量消耗絕對值計算每公斤體重的能量消耗。采用3B氣體代謝儀配備軟件Meta-Soft 3.9對收集數(shù)據(jù)進行處理，選取能量消耗、相對能量消耗等指標，顯示該指標在測試20 s時間間隔的均數(shù)，讀取受試者安靜狀態(tài)、走跑和自行車每個速度全程數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果

在SWA7.0在預(yù)測安靜狀態(tài)能量消耗時，與IC預(yù)測值相比，高估了232%(站位安靜狀態(tài))和177%(坐位安靜狀態(tài))的能量消耗。走跑和自行車運動時，SWA7.0與IC預(yù)測的能量消耗差值隨著運動速度的增加而不斷增加(高估306%～395%)，且SWA7.0在預(yù)測走跑運動能量消耗時與IC預(yù)測值的差值大于預(yù)測自行車運動時與IC預(yù)測值的差值。見表1。

SWA 6.1在預(yù)測安靜狀態(tài)能量消耗時低估了20%(站位安靜狀態(tài))和34%(坐位安靜狀態(tài))的能量消耗;預(yù)測走跑和自行車運動時，與IC的差值趨勢相同，在前2個速度時均高估了運動時的能量消耗(走跑為9%和3%，自行車為18%和17%)，在第3個速度時均低估了運動時的能量消耗(走跑為3%，自行車為4%)。SWA6.1在預(yù)測走跑運動能量消耗時與IC預(yù)測值的差值(均值為0.3 kCal/min，高估1%)小于預(yù)測自行車運動時與IC預(yù)測值的差值(均值為1.45 kCal/min，高估9%)。見表1。

表1 運動健身時的能量消耗表(x ±s，k Cal/min，n=15)

3 討論

走跑和自行車是運動健身的常用方式。本研究選用了正常速度走(4.8 km/h)、快走(6.4 km/h)、慢跑(8.0 km/h)這3個常用的走跑速度和慢速騎自行車(10 km/h)、中速騎自行車(13 km/h)、快速騎自行車(15 km/h)這3個常用的騎自行車速度，一定程度上反映了運動健身的常見形式。使用SWA對走跑和自行車運動時能量消耗進行測量，可體現(xiàn)其在測量運動健身時能量消耗的特點。

安靜狀態(tài)下的能量消耗代表了機體細胞群的能量代謝狀態(tài)，為每日總能量消耗的絕大部分組成內(nèi)容，其預(yù)測的準確性直接影響了每日總能量消耗的準確性。SWA7.0和SWA6.1在測量站位和坐位安靜狀態(tài)能量消耗時與IC相比均表現(xiàn)出非常明顯的差異。盡管SWA7.0高估了安靜狀態(tài)時的能量消耗，而SWA6.1則低估了安靜狀態(tài)時的能量消耗，但兩者與IC之間的相關(guān)性和一致性較好。本研究結(jié)果中SWA測量安靜狀態(tài)下能量消耗的結(jié)果偏差較大，與已有研究報道的出入較大，一方面原因可能在于兩個研究使用的儀器和版本有所區(qū)別，還有一個比較重要的原因可能與受試者在正式進入安靜狀態(tài)測試前SWA佩戴時間過短有關(guān)。在研究中提到的受試者在前10 min的數(shù)據(jù)差異較大，可能SWA的各個傳感器在測試前需要較長時間的適應(yīng)方可進入正常工作〔3〕。

SWA6.1可以有效預(yù)測這兩項運動時的能量消耗，且SWA 6.1預(yù)測走跑能量消耗的相關(guān)性和一致性均優(yōu)于預(yù)測自行車運動的能量消耗。根據(jù)已有研究結(jié)果的提示，在預(yù)測較高速度跑步時，低估能量消耗的趨勢逐漸增加。這種隨著速度的增加，SWA6.1低估能量消耗的原因可能與受試者在運動強度增加的同時大多有出汗現(xiàn)象有關(guān)，皮膚汗液影響了SWA內(nèi)置熱通量傳感器的測量，隨之影響了SWA預(yù)測公式的準確性。SWA 6.1在預(yù)測自行車運動時，盡管總體高估了的能量消耗，但與IC數(shù)據(jù)相比沒有統(tǒng)計學差異，其原因主要是功率自行車和實地自行車的差別。SWA預(yù)測運動能量消耗時主要依賴于內(nèi)置的加速度傳感器，而該類傳感器在預(yù)測不用承受自身體重的運動(如自行車運動)時，往往容易低估其能量消耗，特別是在功率自行車運動時，人體不需要為控制自身體重帶來的平衡影響而做出額外的努力，因此，SWA低估的可能性增加。本研究在室內(nèi)寬敞空間內(nèi)使用實地自行車測試，接近實際騎行狀態(tài)，受試者可能會有一些額外的肢體運動來保持騎行時的平衡，導(dǎo)致了SWA6.1與IC相比高估了自行車運動時的能量消耗。

SWA7.0作為Body Media公司新推出的軟件版本，目前還沒有研究表明其預(yù)測能量消耗數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。但通過本研究發(fā)現(xiàn)，盡管SWA7.0解決了以往版本低估運動時能量消耗的問題，但其預(yù)估的能量消耗遠遠大于IC預(yù)測的能量消耗。目前的數(shù)據(jù)表明，SWA7.0與SWA 6.1的數(shù)據(jù)幾乎完全正相關(guān)。除此之外，SWA7.0在預(yù)測走跑和自行車運動能量消耗時其與IC的差值隨著運動速度的增加而不斷增加，這點與SWA6.1的表現(xiàn)不相一致，可能與廠家較大幅度地更改了預(yù)測能量消耗有關(guān)。但通過SWA7.0在預(yù)測走跑能量消耗時的相關(guān)性和一致性仍然優(yōu)于預(yù)測自行車運動能量消耗可以推測，盡管廠家較大幅度地更改了預(yù)測能量消耗的公式，但有可能只是更改了某些數(shù)值，而計算原理和模式?jīng)]有較大的改變。

SWA在測量每日總能量消耗時優(yōu)于其他的加速度計，且與其他加速度計相比能夠更加準確地預(yù)測低強度時的運動能量消耗，主要原因在于加速度計很難區(qū)別靜坐不動狀態(tài)和非常輕微的體力活動，因此，可能會低估非常輕微的體力活動的能量消耗。本研究中SWA7.0和SWA 6.1均在低強度運動時高估了運動時的能量消耗，反映了多個傳感器在能量消耗預(yù)測公式中都起到了一定的作用。但由于SWA生產(chǎn)廠家沒有公布其能量消耗的預(yù)測公式，因此，很難找出SWA在預(yù)測能量消耗時與IC數(shù)據(jù)相比較出現(xiàn)高估和低估的原因以及改善方法。但根據(jù)SWA6.1預(yù)測的能量消耗沒有隨著自行車運動強度的增加而增加的現(xiàn)象，可以推測SWA預(yù)測運動時的能量消耗較大程度來自于加速度計的數(shù)據(jù)，而在自行車運動中加速度計的測量功能隨著上肢的小幅度運動而受到限制。因此，同等身體活動幅度下很難測量到運動負荷和機體的做功有所變化，導(dǎo)致預(yù)測能量消耗出現(xiàn)差異。未來SWA的公式中可考慮增加其他傳感器(如熱通量傳感器)的數(shù)據(jù)所占的權(quán)重。這個問題已經(jīng)在SWA7.0的公式中得到較好的改善。

本研究由于條件所限有兩個局限之處。(1)受試者選用15名成年男性，且為正常體重人群，因此該研究結(jié)果能否應(yīng)用于其他年齡段人群、超重和肥胖人群甚至不同體質(zhì)水平的人群，尚需要進一步的研究加以證實。(2)本研究中只選用了跑臺走跑和實地自行車運動作為運動健身的主要方式，但SWA是否可以準確預(yù)測其他方式運動健身時的能量消耗，或更大強度、持續(xù)時間更長的運動、不同的環(huán)境條件下的運動，同樣需要在未來的研究中得到解決。

1 江崇民，邱淑敏，王 歡，等.運動健身的能量消耗〔M〕．北京:人民體育出版社，2013:77-9.

2 李海燕，陳佩杰，莊 潔.運動傳感器在測量青少年日常體力活動水平中的應(yīng)用〔J〕．上海體育學院學報，2010;34(3):46-8.

3 周麗麗，王啟榮，付勁德，等.利用能量代謝測定儀和運動員膳食營養(yǎng)分析系統(tǒng)進行運動員個性化能量平衡指導(dǎo)〔J〕．中國運動醫(yī)學雜志，2009;28(2):202-4.