基于加速度傳感器的自行車運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估研究

趙月民 陳培友 劉曉翠

摘 要：研究目的：基于加速度傳感器，建立自行車運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程，確定4.8 MET和72 MET對(duì)應(yīng)的VM軸加速度計(jì)數(shù)最佳臨界值點(diǎn)。研究方法：101名普通大學(xué)生（實(shí)驗(yàn)組81人，驗(yàn)證組20人）實(shí)驗(yàn)過程中同時(shí)佩戴K4b2和GT3X（腰部、大腿、腳踝），在功率自行車上依次進(jìn)行不同強(qiáng)度（①較低強(qiáng)度：37%～45%VO2max;②中等強(qiáng)度：46%～63% VO2max;③較大強(qiáng)度：64%～91% VO2max）的騎行。選取逐步回歸方法建立運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，采用ROC曲線建立VM軸加速度計(jì)數(shù)最佳臨界點(diǎn)。結(jié)果：1）腳踝處GT3X三分軸對(duì)MET的解釋力最高（R2=0.80），且VM軸加速度計(jì)數(shù)與MET存在較高的相關(guān)關(guān)系（r=0.89，P

關(guān)鍵詞：三軸加速度傳感器;自行車運(yùn)動(dòng);運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度;MET

在眾多體力活動(dòng)測(cè)量方法中，加速度傳感器法表現(xiàn)出客觀、準(zhǔn)確、實(shí)用、可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在體力活動(dòng)研究和人群日常健康管理中，其方便、靈巧的特點(diǎn)為廣泛人群體力活動(dòng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)提供了可能[1]。走跑、騎自行車是最常進(jìn)行的體力活動(dòng)形式，有效對(duì)其活動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)是研究人員必須考慮的問題[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常將加速度傳感器用于研究測(cè)量走跑這一類型的體力活動(dòng)形式，且結(jié)果顯示加速度傳感器能夠有效監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度[3]，但對(duì)于自行車運(yùn)動(dòng)的研究卻相對(duì)缺乏。在現(xiàn)有的研究中發(fā)現(xiàn)加速度傳感器不能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)自行車運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，并提出這可能與加速度傳感器的佩戴位置、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型等有關(guān)，但國(guó)內(nèi)少有人對(duì)此問題進(jìn)行更深層次的探討[4]。因此，本研究將選取Actigraph GT3X加速度傳感器，將其佩戴于腰部、大腿、腳踝三處位置，以K4b2氣體代謝分析儀運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量值為依據(jù)，確定自行車運(yùn)動(dòng)加速度傳感器最佳適配位置，并建立自行車運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度方程模型以及不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的加速度計(jì)數(shù)最佳臨界值點(diǎn)，旨在豐富自行車運(yùn)動(dòng)的加速度傳感器運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，為自行車運(yùn)動(dòng)科學(xué)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 受試者

實(shí)驗(yàn)選取101名普通在校大學(xué)生作為受試者，其中男生50人，女生51人。納入受試對(duì)象者均身體健康狀況良好，無心肺功能等疾病。按性別隨機(jī)將受試對(duì)象分為實(shí)驗(yàn)組（男生40人，女生41人）和驗(yàn)證組（男生10人，女生10人），實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)用于建立方程模型，驗(yàn)證組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證方程模型。受試者基本信息見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和方案

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

使用北京東華騰體育器械有限公司生產(chǎn)的人體測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量受試者的身高和體重，各精確到0.1 cm和0.1 kg。使用美國(guó)制造技術(shù)有限公司生產(chǎn)的三軸加速度運(yùn)動(dòng)傳感器ActiGraph GT3X（簡(jiǎn)稱GT3X）監(jiān)測(cè)自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度計(jì)數(shù)（counts值），測(cè)試中統(tǒng)一將GT3X佩戴于每位受試者的右側(cè)腰腹部、肚臍水平高度（簡(jiǎn)稱腰部）;右側(cè)大腿中部（髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)連線中點(diǎn)）外側(cè)（簡(jiǎn)稱大腿）;右腳腳踝外側(cè)上緣處（簡(jiǎn)稱腳踝）。實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)GT3X進(jìn)行校準(zhǔn)，采樣頻率設(shè)置為6次/min。實(shí)驗(yàn)后通過自帶分析軟件Actilife 5.10.0提取原始指標(biāo)垂直軸（Acz）、額狀軸（ACy）、矢狀軸（ACx）、水平軸（ACh）、合軸（VM）等的counts值。ACh水平軸，計(jì)算公式為ACh=（ACx2+ACy2）1/2。VM矢量合軸，計(jì)算公式為VM=（ACx2+ACy2+ACz2）1/2。使用意大利柯時(shí)邁公司生產(chǎn)的Cosmed K4b2氣體代謝分析（簡(jiǎn)稱K4b2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試者在自行車運(yùn)動(dòng)中的攝氧量（VO2）和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（MET），每日測(cè)試前需對(duì)K4b2進(jìn)行預(yù)熱和校正。使用瑞典生產(chǎn)的Monark 839E功率自行車進(jìn)行最大攝氧量測(cè)試實(shí)驗(yàn)和不同強(qiáng)度定阻騎行實(shí)驗(yàn)，不同強(qiáng)度定阻騎行分為三個(gè)強(qiáng)度騎行階段，三種強(qiáng)度依次為：①較低強(qiáng)度：37%～45%VO2max;②中等強(qiáng)度：46%～63% VO2max;③較大強(qiáng)度：64%～91% VO2max[5]。在正式使用之前需預(yù)熱，由實(shí)驗(yàn)人員檢查是否使用正常。

1.2.2 測(cè)試方案

1）最大攝氧量（VO2max）測(cè)定

實(shí)驗(yàn)室溫度保持25℃±1℃，相對(duì)濕度為40%～60%，環(huán)境安靜無噪聲影響，通風(fēng)條件良好。采用功率自行車遞增負(fù)荷實(shí)驗(yàn)：運(yùn)動(dòng)負(fù)荷從100 W開始（女生50 W），每分鐘遞增25 W，至力竭（蹬踏速度為60 rpm）。當(dāng)以下標(biāo)準(zhǔn)滿足3個(gè)或3個(gè)以上時(shí)，則可判斷達(dá)到最大攝氧量。標(biāo)準(zhǔn)為：①心率180次/min。②呼吸商>1.10。③隨運(yùn)動(dòng)的增加，攝氧量停止線性增加，同時(shí)達(dá)到平臺(tái)或開始緩慢下降，最后兩個(gè)值的差異小于±2 ml/kg/min。④受試者已經(jīng)盡自己最大能力，但經(jīng)激勵(lì)仍無法保持當(dāng)前負(fù)荷[6]。

2）不同強(qiáng)度定阻騎行實(shí)驗(yàn)

騎行阻力采用室外騎行時(shí)輪胎和地面的滾動(dòng)摩擦力（Fm）：Fm==μ×Fn/r，（μ（摩擦系數(shù)）=0.5 cm，g（重力加速度）=9.8 m/s2，m=體重+車重，普通自行車車重為15 kg，r（輪胎半徑）=25 cm）[7]。根據(jù)計(jì)算的滾動(dòng)摩擦力（Fm）給自行車設(shè)定騎行阻力。首先，受試者緩慢勻加速騎行，騎行到37%～45%VO2max時(shí)，提醒受試者保持當(dāng)前速度，當(dāng)范圍平穩(wěn)在37%～45%VO2max并維持3 min后，記錄此時(shí)的騎行速度，此速度為受試者進(jìn)行較小強(qiáng)度騎行時(shí)的適宜運(yùn)動(dòng)速度。再讓受試者以此速度騎行5 min，同時(shí)獲取5 min的GT3X實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和K4b2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。之后，讓受試者按照上述方案進(jìn)行中等強(qiáng)度（46%～63% VO2max）和較大強(qiáng)度（64%～91% VO2max）的騎行實(shí)驗(yàn)。最后將GT3X的測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入Actilife5.10.0軟件、K4b2的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cosmed K4b2 7.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。整理時(shí)，GT3X和K4b2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取每一分鐘均值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用相關(guān)分析、強(qiáng)迫進(jìn)入變量回歸法對(duì)不同佩戴位置GT3X監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的有效性進(jìn)行對(duì)比分析。采用逐步回歸法建立自行車運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程。采用相關(guān)分析、相對(duì)誤差以及Bland-Altman點(diǎn)圖方法檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方程的有效性。采用受試者工作特征曲線（ROC曲線）分析4.8 MET和7.2 MET對(duì)應(yīng)的VM軸加速度計(jì)數(shù)最佳臨界點(diǎn)。顯著性水平定義為P<0.05和P<0.01。

2 研究結(jié)果

2.1 受試者騎行速度

以美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)（ACSM）最大攝氧量百分比（%VO2max）運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)為依據(jù)，進(jìn)行三種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的騎行測(cè)試。三種強(qiáng)度騎行下，受試者的蹬踏速度以及騎行速度基本情況見表2。

表2顯示，男生較低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下的蹬踏速度為41.85 r/min，騎行速度為14.53 km/h，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下的蹬踏速度為60.60 r/min，騎行速度為21.38 km/h，較大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下的蹬踏速度為78.98 r/min，騎行速度為27.98 km/h;女生較低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下的蹬踏速度為3744 rpm，騎行速度為13.00 km/h，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下的蹬踏速度為53.39 r/min，騎行速度為18.66 km/h，較大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下的蹬踏速度為69.46 rpm，騎行速度為2454 km/h。

2.2 不同位置加速度傳感器監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的比較分析

對(duì)不同位置GT3X各軸加速度計(jì)數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（見表3），腰部各軸counts均值均小于大腿、腳踝部位，大腿部位ACy、ACx、ACh軸counts均值均大于腳踝部位，ACz、VM軸counts均值均小于腳踝部位。進(jìn)一步對(duì)不同部位GT3X各軸counts值與MET的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，腰部ACx、ACh軸counts值與MET不存在線性相關(guān)關(guān)系，大腿ACx軸counts值與MET線性相關(guān)關(guān)系顯著（P<0.05），其他各軸counts值均與MET線性相關(guān)關(guān)系非常顯著（P<0.01）。腰部GT3X各軸counts值相關(guān)系數(shù)在0.02～0.26之間，大腿各軸counts值相關(guān)系數(shù)在0.07～0.79之間，腳踝各軸counts值相關(guān)系數(shù)在0.45～0.89之間，其中腳踝處VM軸counts值與MET的相關(guān)系數(shù)最高，為0.89。接著分別以三個(gè)部位GT3X的ACz、ACy、ACx軸counts值為自變量，MET為因變量進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明各個(gè)部位GT3X加速度計(jì)數(shù)對(duì)MET都有顯著的解釋力（P<001），腰部決定系數(shù)R2為0.13，解釋MET13%的變異量;大腿決定系數(shù)R2為0.64，解釋MET64%的變異量;腳踝處決定系數(shù)R2為0.80，解釋MET80%的變異量。

從表3的數(shù)據(jù)整體來看，腳踝部位GT3X的VM軸counts均值在15個(gè)軸中最大，感應(yīng)加速度變化最為豐富;各軸counts值與MET的相關(guān)程度和解釋力均相對(duì)最高。因此，選取腳踝部位GT3X的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型和加速度計(jì)數(shù)最佳臨界值點(diǎn)。

2.3 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的建立

以K4b2實(shí)測(cè)MET為因變量，以GT3X的ACz軸counts值、AC軸counts值、ACy軸counts值、ACh軸counts值、VM軸counts值、年齡、性別、身高、體重、BMI等為自變量，通過逐步回歸分析建立方程，方程基本參數(shù)見表4。

2.4 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的有效性

將驗(yàn)證組每個(gè)受試對(duì)象的VM軸counts值代入新建方程，計(jì)算預(yù)測(cè)MET。并與K4b2實(shí)測(cè)MET進(jìn)行對(duì)比分析，具體分析結(jié)果見表5。

由表5數(shù)據(jù)可知，預(yù)測(cè)MET與實(shí)測(cè)MET在不同強(qiáng)度下均有顯著相關(guān)關(guān)系（P?以每位受試對(duì)象預(yù)測(cè)MET值和實(shí)測(cè)MET值的均值為橫坐標(biāo)，預(yù)測(cè)MET值和實(shí)測(cè)MET值的差值作為縱坐標(biāo)建立Bland-Altman散點(diǎn)圖（見圖1、圖2、圖3）。結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)MET值和實(shí)測(cè)MET值殘差均值在不同強(qiáng)度下分別為-0.08，-0.10，-0.42，均值接近0線，且三種強(qiáng)度水平的預(yù)測(cè)MET值和實(shí)測(cè)MET值的殘差基本均勻落在Mean±1.96 SD的區(qū)間內(nèi)。

本研究是以ACSM最大攝氧量百分比（%VO2max）強(qiáng)度分級(jí)為依據(jù)進(jìn)行不同強(qiáng)度的騎行測(cè)試，因此選取MET建立不同強(qiáng)度VM軸counts值最佳臨界點(diǎn)時(shí)同樣參照ACSM標(biāo)準(zhǔn)。4.8 MET為青年人較低強(qiáng)度和中等強(qiáng)度的臨界點(diǎn)，7.2 MET為中等強(qiáng)度和較大強(qiáng)度的臨界點(diǎn)。根據(jù)強(qiáng)度是否大于等于4.8 MET，將數(shù)據(jù)分成兩類（二分變量），以VM軸counts值作為檢驗(yàn)變量，以二分變量作為狀態(tài)變量，通過ROC曲線建立最佳臨界值點(diǎn)。同理，7.2 MET的最佳臨界值點(diǎn)建立方法同上，具體分析結(jié)果見表6。

表6顯示，4.8 MET和7.2 MET ROC曲線下的面積分別為0.926、0.901，敏感性分別為0.803、0.841、特異性分別為0.886、0.854，說明VM軸counts值對(duì)于確定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度具有較高的診斷價(jià)值。4.8 MET對(duì)應(yīng)的最佳臨界值點(diǎn)為9764 counts/min，7.2 MET對(duì)應(yīng)的最佳臨界值點(diǎn)為21138 counts/min。兩種強(qiáng)度的ROC曲線見圖4、圖5。

3 討論

3.1 加速度傳感器佩戴位置分析

利用加速度傳感器監(jiān)測(cè)體力活動(dòng)強(qiáng)度需考慮其佩戴位置，不同佩戴位置對(duì)同一運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的靈敏程度不同，采集到的加速度數(shù)據(jù)也就不同，從而造成系統(tǒng)識(shí)別性能的差異。Gemperle等人根據(jù)人體工程學(xué)原理對(duì)加速度傳感器的佩戴位置進(jìn)行研究，提出環(huán)形區(qū)域（腰髖部）、前臂兩側(cè)、后方上臂、手腕、大腿、小腿、腳踝等部位都可以作為人體適宜的加速度傳感器佩戴位置[8]。多數(shù)研究建議將加速度傳感器佩戴于腰部位置，其更接近人體質(zhì)心，能夠監(jiān)測(cè)到整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，避免因局部運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的身體活動(dòng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)失真現(xiàn)象[9]，除上肢運(yùn)動(dòng)占比較大的運(yùn)動(dòng)外，佩戴于腰部位置更能穩(wěn)定的反映人體運(yùn)動(dòng)情況[10-11]。但也有研究表明，在自行車運(yùn)動(dòng)中，腰部位置對(duì)加速度變化感應(yīng)能力較差，不能作為最佳佩戴位置[12]。人體在自行車運(yùn)動(dòng)中，腰部動(dòng)作變化幅度較小，感應(yīng)加速度變化不豐富。本實(shí)驗(yàn)將GT3X佩戴于右側(cè)腰部、大腿、腳踝三處位置進(jìn)行比較研究，通過分析不同佩戴位置GT3X各軸加速度計(jì)數(shù)，發(fā)現(xiàn)腳踝處各軸整體均值較大，能夠感應(yīng)最為豐富的加速度變化，且各軸counts值與MET的相關(guān)程度和解釋力均相對(duì)最高。因此，腳踝處是自行車運(yùn)動(dòng)加速度傳感器的最佳適配位置，VM軸counts值是預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較佳的自變量。馬國(guó)強(qiáng)等人在踏頻遞增的功率自行車 GXT 中也發(fā)現(xiàn)，與膝關(guān)節(jié)相比踝關(guān)節(jié)加速度綜合計(jì)數(shù)可能是采用加速計(jì)數(shù)推算功率自行車騎行強(qiáng)度更加有效的參數(shù)[13]，路飛揚(yáng)等人在其研究中也表明了相似的觀點(diǎn)[14]。因此，在進(jìn)行自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)，建議將GT3X佩戴于腳踝部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。

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