內(nèi)置三軸加速度計(jì)的智能鞋墊運(yùn)用于足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的可行性

王 貝，趙德峰，趙海燕，侯 彬，陳貞祥，葉晶龍，王 晨，任 雪

近年來， 可穿戴式加速度計(jì)已被證明可成功識(shí)別身體活動(dòng)狀態(tài)并可能為目前最為成熟的技術(shù)[1]，主要原理在于加速度計(jì)可以通過測量人體三軸線性活動(dòng)的加速度來得到身體活動(dòng)狀況， 并通過測量相對(duì)地心引力的定位來估測身體姿勢。 雖然多個(gè)加速度計(jì)系統(tǒng)已被驗(yàn)證可高度精準(zhǔn)地識(shí)別身體活動(dòng)并可大體估算能量消耗， 但是佩戴多個(gè)加速度計(jì)對(duì)于使用者來說負(fù)擔(dān)較重且過于繁雜， 市場上常見的識(shí)別身體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測裝置往往限定為單個(gè)的加速度計(jì)。佩帶在身上的單個(gè)加速度計(jì)雖然沒有多個(gè)加速度計(jì)系統(tǒng)精準(zhǔn)， 但是方便攜帶且測量結(jié)果也在可接受范圍內(nèi)， 然而， 仍然有許多使用者感覺佩戴位置不舒適，因此存在有限的使用實(shí)用性。

大量研究發(fā)現(xiàn)識(shí)別身體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測系統(tǒng)的有效性與佩戴部位緊密相關(guān)（如胸部、腹部、髖部、大腿和腳踝）， 某些部位的佩戴更適合于測量特定活動(dòng)[2]。隨著手腕佩戴式健身追蹤器和智能手機(jī)的普及，手腕佩戴裝置和智能手表近年來正日益流行， 使用者無須過多指導(dǎo)就可使用。然而，要研發(fā)一款可成功識(shí)別人體大多數(shù)日?；顒?dòng)的、 可佩戴在手腕上的監(jiān)測裝置仍存在很大挑戰(zhàn)性， 因?yàn)槭滞筇幫ǔＪ巧眢w活動(dòng)最頻繁的部分，跟身體其他部位（如軀干）相比存在更多不規(guī)則活動(dòng)。 近期有研究顯示手腕部位攜帶的監(jiān)測器對(duì)于身體活動(dòng)的識(shí)別存在較大誤差[2]。 另有研究顯示監(jiān)測器佩帶在左手手腕比慣用的右手手腕更能有效識(shí)別身體活動(dòng)， 并且也優(yōu)于佩戴于手肘和胸部，但是要次于佩戴在腳踝、膝關(guān)節(jié)和腰部的識(shí)別效果[3]。Trost 等[2]和Ellis 等[4]研究發(fā)現(xiàn)髖部佩戴監(jiān)控器的有效性略優(yōu)于手腕處佩戴的模式。 另有研究顯示在檢測靜態(tài)行為時(shí)， 佩帶在髖部的監(jiān)測器的有效性明顯高于佩帶在手腕處[5]。Manini 等[6]的研究顯示佩帶在腳踝處的監(jiān)測器可達(dá)到95%的精確度，而手腕處佩戴的儀器精確度為84.7%。 另有研究顯示監(jiān)測器佩戴在大腿和腳踝部的有效性相近， 分別為82%和83%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于佩帶在胸部的有效性（67%）。綜合以上研究結(jié)果，佩戴在腰部以下（如腳踝、大腿、髖部和腰部）的三軸加速度監(jiān)測器有效性最高，其次是手腕處佩戴，而胸部佩戴有效性最低。

美國研發(fā)的Sensewear Armband（SWA）是一種結(jié)合了生理和機(jī)械測量的新一代便攜式三軸加速度能量消耗測試儀。 研究報(bào)導(dǎo)SWA 比單純的心率和加速度法能更精確地測量人體活動(dòng)的能量消耗[7]。SWA 主要佩帶于左手上臂外側(cè)，通過三軸加速度感應(yīng)器，并結(jié)合其他3 種感應(yīng)器（皮膚溫度、膚電反應(yīng)和熱傳導(dǎo)），可全天檢測佩戴者的能量消耗、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和步數(shù)。 研究證明SWA 可以較可靠地測量普通人靜止和低中強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中的能量消耗[8]。 筆者團(tuán)隊(duì)曾檢測SWA 應(yīng)用于職業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員在跑步機(jī)以不同速度奔跑時(shí)能量消耗測量的有效性[9]。 結(jié)果顯示SWA 在檢測低于9 MET 和高于11 MET 能量代謝當(dāng)量強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的熱量誤差漸增， 但在測量9~11 MET 代謝當(dāng)量區(qū)間或70%VO2max左右的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的熱量消耗最為精確， 此強(qiáng)度正與女足比賽中的強(qiáng)度相一致。 但在室外場地上進(jìn)行各指標(biāo)監(jiān)測的有效性目前尚無研究涉及，且在實(shí)際應(yīng)用中，室外場地中的身體接觸擠壓有可能碰撞到手臂上佩戴的儀器，影響到運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作發(fā)揮和儀器的正常運(yùn)作。

近期國內(nèi)市場首次出現(xiàn)了一款智能鞋墊， 據(jù)稱可通過內(nèi)置的三軸加速度感應(yīng)裝置精確測定身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并估算能量消耗。 然而目前并無國內(nèi)外研究比較過置于腳底的三軸加速度計(jì)的有效性。 根據(jù)國外前期的研究結(jié)果， 腳踝和腰部佩戴監(jiān)測器的有效性要高于其他部位，包括手腕和胸部[11]。因此內(nèi)置于鞋墊的三軸加速度計(jì)可能會(huì)如同佩戴在相近的腳踝部位具有較高的有效性， 而鞋墊的設(shè)置更有利于運(yùn)動(dòng)員的接納和長時(shí)間使用。 如果證實(shí)這種內(nèi)置于鞋墊的三軸加速度計(jì)能有效監(jiān)測身體運(yùn)動(dòng)并估測能量消耗， 鞋墊的方便實(shí)用性會(huì)更有利于運(yùn)動(dòng)員在日常訓(xùn)練實(shí)時(shí)監(jiān)測活動(dòng)情況和能量消耗。因此，本研究欲在這一領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證， 使用鞋墊內(nèi)的三軸加速度計(jì)與佩戴在身體其他不同部位 （髖部、 腳踝和手臂）的加速度計(jì)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，檢測內(nèi)置于鞋墊的三軸加速度計(jì)提供的能量消耗和其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確性， 為以跑動(dòng)為主的運(yùn)動(dòng)員提供一種方便長時(shí)間穿戴但不影響其活動(dòng)， 且能較準(zhǔn)確提供運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和能量消耗的監(jiān)測設(shè)備。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

受試者全部來自上海職業(yè)女子足球隊(duì)，20 名運(yùn)動(dòng)員分別進(jìn)行室內(nèi)運(yùn)動(dòng)測試和11 名進(jìn)行室外球場測試，基本信息見表1。

表1 研究對(duì)象基本情況（±SD）Table1 Characteristics of study population (±SD)

表1 研究對(duì)象基本情況（±SD）Table1 Characteristics of study population (±SD)

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所有受試者的身高均由同一實(shí)驗(yàn)人員使用身高測量標(biāo)尺統(tǒng)一進(jìn)行2 次光腳測量，取平均數(shù)，空腹?fàn)顟B(tài)下使用Inbody720（Biospace Co. Ltd.，韓國）測量體重并計(jì)算身體質(zhì)量指數(shù)（BMI），所有測量精確到0.1。

1.2 研究方法

將內(nèi)置三軸加速度計(jì)的智能鞋墊同佩戴于其他身體不同位置的Actigraph GT3X+ （LLC，USA）（右髖和左右腳踝）和SWA（左手上臂）進(jìn)行在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（走路、慢跑、快跑、登山跑、室外模擬足球比賽）感應(yīng)身體運(yùn)動(dòng)多個(gè)指標(biāo)變化的有效性比較。以便攜式心肺功能測試儀（Cosmed K4b2，意大利）所測數(shù)據(jù)（IC）為參考標(biāo)準(zhǔn)，比較智能鞋墊在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測量的熱量消耗率的準(zhǔn)確性。SWA 作為目前文獻(xiàn)中推薦較為精確的穿戴式能量消耗測試儀[7]，將使用其作為智能鞋墊測試場地訓(xùn)練能量消耗的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。所使用SWA 的型號(hào)為MF-SW，軟件版本為8.1。

空腹和無體育運(yùn)動(dòng)至少2 h 后， 受試運(yùn)動(dòng)員直立靜止休息5 min，使用Polar 心率表（RS400，芬蘭）測得最低心率記錄為安靜直立心率并全程監(jiān)控受試者的心率。 隨后，受試運(yùn)動(dòng)員分別依次在橢圓機(jī)上以9.6 km/h 的速度運(yùn)動(dòng)（Climbing）、在跑步機(jī)上以3.2 km/h 的速度快走 （Walking） 或以4 種不同速度跑步 （Running1-4，6.4 km/h，9.6 km/h，11.2 km/h，12.8 km/h）10 min。 每完成1 次10 min 的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員被要求充分放松休息直至心率恢復(fù)到安靜直立心率±10 次/ 分鐘范圍內(nèi)。運(yùn)動(dòng)時(shí)，受試者全程攜帶IC，測試每次不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的熱量消耗率， 測試前氧氣和二氧化碳分析儀以及氣流渦輪均根據(jù)廠家說明書進(jìn)行校準(zhǔn)，詳細(xì)過程見Crouter 等[10]。 同時(shí)在右髖處（GWaist）和 左 右 腳 踝 處（GAnkleL，GAnkleR）佩 戴GT3X+ 測量三維加速度 （VA） 和步數(shù)， 左臂佩戴SWA 測量步數(shù)、速度和熱量消耗（CAL）。 受試者所穿運(yùn)動(dòng)鞋內(nèi)放置智能鞋墊（PadR，PadL）測量VA、步數(shù)、速度和CAL，所測速度和CAL 由鞋墊配套軟件自帶的室內(nèi)模式算法所得。

除了在跑步機(jī)上Running4 階段以12.8 km/h 速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，因每個(gè)受試者可持續(xù)時(shí)間長短不一，其他運(yùn)動(dòng)階段均取中間穩(wěn)定狀態(tài)8 min 時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。VA 的平方和開方得到向量的模（VM）用于不同設(shè)備間所測加速度的比較，即，其中ax、ay、az 為三軸加速度。

在室外球場訓(xùn)練中，選擇至少20 min 連續(xù)對(duì)抗時(shí)間模擬比賽狀態(tài)進(jìn)行測試，由于運(yùn)動(dòng)環(huán)境限制，身體碰撞經(jīng)常發(fā)生， 所測運(yùn)動(dòng)員僅在右髖處（GWaist）佩戴GT3X+ 測量VA 和步數(shù)， 左臂佩戴SWA 測量步數(shù)、 距離和CAL， 所穿運(yùn)動(dòng)鞋內(nèi)放置智能鞋墊（PadR，PadL）測量VA、步數(shù)、距離和CAL。 PadR 和PadL 在室外環(huán)境采用室外模式利用GPS 計(jì)算活動(dòng)距離和CAL。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

智能鞋墊所測VA、 步數(shù)和CAL 與GTX3+ 和IC 所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，均使用每10 s 間歇收集的數(shù)據(jù)。 智能鞋墊所測步數(shù)、 速度、 距離和CAL 與SWA 所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，均使用每個(gè)受試者不同狀態(tài)連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)所得總數(shù)據(jù)。 所有數(shù)據(jù)采用SPSS25.0 進(jìn)行分析。 連續(xù)變量符合正態(tài)分布的用±SD 表示；2 種以上不同儀器所測數(shù)據(jù)間的比較采用雙因素重復(fù)測試方差分析 （two-factor repeated measures ANOVA）。 2 種儀器所測數(shù)據(jù)間的比較采用配對(duì)T 檢驗(yàn)。 所有統(tǒng)計(jì)方法顯著性水平均選取雙側(cè)0.001。

2 研究結(jié)果

2.1 室內(nèi)測試結(jié)果

2.1.1 三維加速度測量比較結(jié)果

由于在水平步行或跑步運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)2個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，在收腳時(shí)，重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸地，加速度相反；而水平加速度在收腳時(shí)減小， 在邁步時(shí)增加。 當(dāng)在球場上時(shí)，運(yùn)動(dòng)員不時(shí)需要側(cè)邊快速移動(dòng)，矢狀軸加速度變化情況同于水平加速度。 由于不同部位佩戴的GT3X+ 和智能鞋墊內(nèi)置的三軸加速度計(jì)的加速度方向較難達(dá)成一致， 同時(shí)3 個(gè)加速度計(jì)算所得的VM 是用于識(shí)別身體運(yùn)動(dòng)和預(yù)測摔倒?fàn)顟B(tài)的主要指標(biāo)， 故本研究采用VM 進(jìn)行不同三軸加速度測試儀器數(shù)據(jù)間的比較。

在室內(nèi)橢圓機(jī)和跑步機(jī)測試中，使用GT3X+ 和智能鞋墊所測三維加速度間的相關(guān)性分析以VM 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示， 所有受試者2 種設(shè)備所得VM 數(shù)據(jù)間均呈顯著高度相關(guān)（r=0.729~0.997）。 然而，在所有運(yùn)動(dòng)方式測試中，PadR 和PadL 的VM 顯著高于GT3X+，同時(shí)GAnkleR 和GAnkleL 的VM 顯著高于GWaist（表2）。 隨著運(yùn)動(dòng)方式由登山轉(zhuǎn)化為快走到速度漸增的跑步，PadR 和PadL 逐步增加，其增加程度明顯高于髖部和腳踝處GT3X+ 的VM。 因此，PadR 和PadL 的VM 與GT3X+ 的差異性也隨著運(yùn)動(dòng)方式的改變和速度的提高而逐步增大。

表2 使用GT3X+ 和智能鞋墊在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)階段所測三維加速度計(jì)算所得VM（±SD）Table2 VM calculated from 3-axial acceleration measured by GT3X+ and Pads during different indoor exercise trials(±SD)

表2 使用GT3X+ 和智能鞋墊在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)階段所測三維加速度計(jì)算所得VM（±SD）Table2 VM calculated from 3-axial acceleration measured by GT3X+ and Pads during different indoor exercise trials(±SD)

注：* 表示與PadR 和PadL 所測值間存在顯著差異，P＜0.001；# 表示與GWaist 所測值間存在顯著差異，P＜0.001。

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2.1.2 步數(shù)測量比較結(jié)果

在使用GT3X+ 和智能鞋墊所測步數(shù)的比較分析 中，Climbing 和Running2-4 階 段，PadR+L、GWaist和GAnkleR+L 間高度相關(guān)并無顯著性差異 （表3）。Running1 階 段，PadR+L 和GWaist間無顯著不同，但兩者均與GAnkleR+L 差異大于10%并呈現(xiàn)顯著性差異。 如果將Running1 階段GAnkleR+L 所測的步數(shù)以30 步/10 秒的速度為界分別進(jìn)行分析，當(dāng)GAnkelR+L所測的步數(shù)≤30 步/10 秒時(shí)（Running1◆），PadR+L、GWaist 和GAnkleR+L 間無顯著差異性； 但當(dāng)GAnkelR+L 所測的步數(shù)＞30 步/10 秒時(shí)（Running1◆◆），與Walking 階段結(jié)果相一致，PadR+L 和GWaist 間無顯著不同， 但兩者均與GAnkleR+L 差異＞10%并呈現(xiàn)顯著性差異，GAnkleR+L 的值約為PadR+L 和GWaist 所測值的2 倍。 當(dāng)將智能鞋墊與SWA 所測步數(shù)進(jìn)行比較時(shí)，除了在Walking 階段，兩者所測步數(shù)差異大于10%并呈現(xiàn)顯著性差異， 其他運(yùn)動(dòng)階段均無顯著差異。

表3 使用GT3X+、智能鞋墊和SWA 在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)階段所測步數(shù)（±SD）Table3 Steps measured by GT3X+, Pads and SWA during different indoor exercise trials(±SD)

表3 使用GT3X+、智能鞋墊和SWA 在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)階段所測步數(shù)（±SD）Table3 Steps measured by GT3X+, Pads and SWA during different indoor exercise trials(±SD)

注：* 表示與PadR 和PadLL 所測值間存在顯著差異，P＜0.001；# 表示與GWaist 所測值間存在顯著差異，P＜0.001；Running1◆為步數(shù)≤30 步/10 秒；Running1◆◆為步數(shù)＞30 步/10 秒。

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2.1.3 速度測量的比較結(jié)果

與橢圓機(jī)或跑步機(jī)自身設(shè)定的速度相比，SWA所測速度在Climbing、Walking 和Running1 階段顯著不同，而Running2-4 階段無顯著差異性；智能鞋墊所測速度除Running2 階段差異性＜10%， 其他階段均存在顯著差異（表4）。

表4 使用智能鞋墊和SWA 在室內(nèi)不同設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)階段所測速度（±SD）Table4 Speeds measured by Pads and SWA during different indoor exercise trials(±SD)

注：* 表示與設(shè)定速度間存在顯著差異，P＜0.001。

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2.1.4 CAL 測量比較結(jié)果

CAL 測定使用IC 作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。分析結(jié)果顯示PadR+L 所測CAL 與IC 高度相關(guān)（表5），但顯著高估了Walking 階段和低估了Climbing 以及4 個(gè)不同速度Running 階段的CAL（P＜0.001）。 在Running1階段，PadR+L 和IC 測量值間的差異＜10%。 SWA顯著低估了Climbing 和Running3-4 階段的總能量消耗值， 但是在Walking 和Running1-2 階 段，SWA 與IC 所測總值間無顯著不同， 差異均在10%以內(nèi)。PadR+L 和SWA 兩者進(jìn)行比較，PadR+L 顯著高估了Walking 階段的總能量消耗值和低估了其他5 個(gè)階段的總能量消耗值 （P＜0.001）。 在Running1 階段，PadR+L 和SWA 測量值間的差異小于10%。

表5 使用PadR+L、IC 和SWA 在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)階段所測CAL（±SD）Table5 CAL measured by Pads, IC and SWA during different indoor exercise trials (±SD)

表5 使用PadR+L、IC 和SWA 在室內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)階段所測CAL（±SD）Table5 CAL measured by Pads, IC and SWA during different indoor exercise trials (±SD)

注：* 表示與IC 所測對(duì)應(yīng)值間存在顯著差異，P＜0.001；# 表示與SWA 所測對(duì)應(yīng)值間存在顯著差異，P＜0.001。

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2.2 室外球場訓(xùn)練結(jié)果

由于足球運(yùn)動(dòng)中身體碰撞較頻繁， 腳踝處不便佩戴儀器， 因此只在右髖處佩戴了GT3X+（GWaist）。使用GWaist、PadR 和PadL 所測三維加速度計(jì)算所得的VM 數(shù)據(jù)間顯著相關(guān) （P＜0.001），但PadR 和PadL 顯著高于GWaist（P＜0.001）。 這與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)測試結(jié)果相一致。 在使用GWaist、SWA 和PadR+L 所測步數(shù)中，三者間顯著相關(guān)（P＜0.001），但PadR+L 所測每10 s 步數(shù)顯著高于GWaist， 所測總步數(shù)顯著高于SWA，而GWaist 和SWA 間無顯著差異。 室外場地測試中，智能鞋墊采用室外GPS 模式，PadR+L 測得的運(yùn)動(dòng)總距離和熱量總消耗與SWA 所測值間無顯著性差異（P=0.972）。

3 分析與討論

大量研究發(fā)現(xiàn)使用單加速度計(jì)識(shí)別身體運(yùn)動(dòng)的有效性與佩戴部位緊密相關(guān)。 Trost 等[2]研究發(fā)現(xiàn)髖部佩戴GT3X+ 的有效性略優(yōu)于手腕處佩戴的模式，精確度分別為91%和88%。 Ellis 等[4]也發(fā)現(xiàn)髖部和手腕部佩戴GT3X+ 的數(shù)據(jù)精確度分別為92%和88%。Manini 等[6]的研究顯示佩帶在腳踝處的三軸加速度計(jì)Wocker 的精確度達(dá)到95%的， 而手腕處佩戴的Wocker 精確度為84.7%。 Manini 等[12]在測試Wocker識(shí)別兒童身體運(yùn)動(dòng)的精確度時(shí)發(fā)現(xiàn)，佩戴在腳踝處的精確度為92.4%，佩戴在手腕處為91%。 以上研究結(jié)果綜合顯示手腕處佩戴監(jiān)測器的有效性低于腳踝和髖部，而腳踝略高于髖部，但這些研究都是測試加速度計(jì)識(shí)別靜態(tài)或低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的身體運(yùn)動(dòng)[5,12-14]。本研究結(jié)果中， 隨著跑步速度的顯著增加，GAnkleR+L 的VM也顯著增加，GWaist增加緩慢，而PadR+L 增加的幅度明顯大于GAnkleR+L，推測在中高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（＞8 km/h），內(nèi)置三軸加速度計(jì)的鞋墊可能比佩戴在其他部位的加速度計(jì)對(duì)于身體移動(dòng)更加敏感。 但由于沒有其他標(biāo)準(zhǔn)測量儀器數(shù)據(jù)作為參照， 不能確定智能鞋墊測量三軸加速度的敏感度和有效性高于還是低于GAnkleR+L， 因此還需進(jìn)一步測定比較智能鞋墊和GT3X+ 識(shí)別不同身體運(yùn)動(dòng)的精確度和有效性。

研究發(fā)現(xiàn)腰間佩戴GT3X+ 測定受試者在跑步機(jī)上以不同速度（8~16 km/h）慢跑或快跑時(shí)的步數(shù)精確度很高，絕對(duì)錯(cuò)誤百分比≤1%[5]。 Tudor-Locke 等[13]也報(bào)道胯部佩戴GT3X+ 可較準(zhǔn)確測量0.84~11.28 km/h速度運(yùn)動(dòng)的步數(shù)。 而Feito 等[14]和Lee 等[15]發(fā)現(xiàn)在低速行走時(shí)GT3X+ 測量步數(shù)的準(zhǔn)確率較低，當(dāng)速度逐步增加時(shí)準(zhǔn)確率也增加。 但目前尚未找到國內(nèi)外對(duì)腳踝處佩戴GT3X+ 測量步數(shù)有效性進(jìn)行評(píng)估的相關(guān)文獻(xiàn)。 本研究發(fā)現(xiàn)Running2-4 階段，PadR+L、GWaist 和GAnkleR+L 間高度相關(guān)并無顯著性差異，這些是GT3X+ 佩戴在胯部時(shí)測量步數(shù)準(zhǔn)確率較高的運(yùn)動(dòng)速度， 因此智能鞋墊在這些速度范圍也能較準(zhǔn)確地測量步數(shù)。而在Walking 和Running1 階段，佩戴在胯部的GT3X+ 測量步數(shù)的有效性可能較低，本研究結(jié)果也顯示在這2 個(gè)階段當(dāng)GAnkelR+L 所測的步數(shù)＞30 步/10 秒時(shí)，PadR+L 和GWaist 間無顯著不同，但兩者均與GAnkleR+L 差異＞10%，并呈現(xiàn)顯著性差異，GAnkleR+L 約為PadR+L 或GWaist 所測值的兩倍；而當(dāng)GAnkelR+L 所測的步數(shù)≤30 步/10 秒時(shí)，PadR+L、GWaist 和GAnkleR+L 間 無 顯 著 性 差異。原因可能在于當(dāng)步數(shù)＞30 步/10 秒時(shí)，在同樣速度下，受試者步數(shù)≤30 步/10 秒時(shí)的步伐，轉(zhuǎn)胯幅度不明顯，從而影響了GWaist 和GAnkles 測量步數(shù)的一致性。因此不同研究中對(duì)于GT3X+ 佩戴在胯部測量低速運(yùn)動(dòng)時(shí)步數(shù)有效性的評(píng)估結(jié)果不一樣， 可能在于實(shí)驗(yàn)方法上的不一致， 包括自我選擇的慢跑或走路速度與步伐大小。 但智能鞋墊測量步數(shù)的有效性跟GWaist 更接近，而不是GAnkleR+L，具體原因尚不清楚，需要進(jìn)一步確認(rèn)和解釋。

有研究評(píng)估了SWA 測量步行運(yùn)動(dòng)時(shí)步數(shù)的有效性，Storm 等[16]和Lee 等[17]研究結(jié)果顯示SWA 會(huì)顯著低估步行時(shí)的步數(shù)，這與本研究結(jié)果一致。數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)alking 運(yùn)動(dòng)階段，SWA 測量的步數(shù)顯著低于PadR+L，而PadR+L 顯著低于有效性比較高的GAnkleR+L，所以在這個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，測量步數(shù)的有效性從高到低的順序?yàn)椋篏AnkleR+L＞GWaist/PadR+L＞SWA。 但目前國內(nèi)外幾乎沒有關(guān)于評(píng)估SWA 在跑步階段測量步數(shù)有效性的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。研究數(shù)據(jù)顯示，除了Walking 階段，SWA 和PadR+L 在其他運(yùn)動(dòng)階段測定的步數(shù)無顯著差異， 間接顯示SWA 在Running1 階段測定的步數(shù)顯著小于GAnkleR+L，但能較準(zhǔn)確測量Running2-4 階段的步數(shù)。

目前國內(nèi)外尚無關(guān)于評(píng)估SWA 測量速度有效性的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)， 因此本研究結(jié)果首次驗(yàn)證了SWA可有效測量高強(qiáng)度跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)（速度≥9.6 km/h）的速度，但不適用于慢速跑、步行和爬山運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度測量。 而智能鞋墊只可有效測量中等強(qiáng)度時(shí)的速度（9.6 km/h）。在Climbing 階段，PadR+L、SWA、GWaist和GAnkleR+L 所測的步數(shù)間均無顯著性差異，顯示這幾種測定方式都適用于測定Climbing 的步數(shù)。

本研究關(guān)于SWA 測量CAL 準(zhǔn)確性的結(jié)果跟之前的研究結(jié)果基本一致[9]。 在之前的研究中，筆者團(tuán)隊(duì)檢測了SWA 應(yīng)用于9 名職業(yè)女足運(yùn)動(dòng)員在跑步機(jī)上以不同強(qiáng)度奔跑時(shí)CAL 測量的有效性。結(jié)果顯示每個(gè)受試者的SWA 和IC 的每分鐘數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。 在70%VO2max（相對(duì)應(yīng)的平均速度為9.31 km/h，代謝當(dāng)量為10 MET） 強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，SWA 和IC 的每分鐘數(shù)據(jù)無顯著性差異， 相當(dāng)于本研究中的Running2。 而在79%VO2max和87%VO2max時(shí)（相對(duì)應(yīng)的平均速度分別為11.76 km/ 和12.18 km/h，代謝當(dāng)量分別為11.5 MET 和13 MET），SWA 顯著低估了CAL，相當(dāng)于本研究中Running3-4。 SWA 在10 MET 代謝當(dāng)量附近監(jiān)測CAL 最為準(zhǔn)確，而此強(qiáng)度也是職業(yè)女足比賽時(shí)的常見強(qiáng)度。 因此，認(rèn)為SWA 可有效應(yīng)用于女足運(yùn)動(dòng)員在比賽中的CAL 測定。這也是本研究選擇SWA 作為場地足球訓(xùn)練中能量代謝測量參照儀器的原因之一。 除此之外，Lee 等[7]比較了8 種市面上可售的能量消耗測試儀， 包括BodyMedia FIT armband、加速度計(jì)Actigraph、DirectLife、the Fitbit One、the Fitbit Zip、the Jawbone Up、Nike Fuel Band 和Basis B1 Band， 其 中 的BodyMedia FIT armband 是 與SWA 同系列熱量消耗測試儀的基礎(chǔ)型號(hào)。 研究顯示使用這8 種測試儀測量多種不同類型運(yùn)動(dòng)中的CAL 時(shí)，包括久坐、不同速度行走、跑步機(jī)上慢跑和中到高強(qiáng)度的各種運(yùn)動(dòng)（上下階梯、健身車、橢圓機(jī)、Wii 網(wǎng)球練習(xí)和籃球），BodyMedia FIT armband 的誤差評(píng)定為9.3%，是8 種儀器中誤差最小的。 而專業(yè)版SWA 的精確性比基礎(chǔ)版更高， 因此更加具有可靠性。

跟之前研究不同的是， 本研究結(jié)果顯示在Walking 和Running1 階段SWA 與IC 所測值間無顯著 不 同，Walking 階 段 速 度 為3.2 km/h，Running1 階段速度為6.4 km/h。 但之前研究結(jié)果顯示在56%VO2max（相對(duì)應(yīng)的平均速度為8.44 km/h，代謝當(dāng)量為8.2 MET）時(shí)，SWA 顯著高估了13.89%的CAL，并且與Fruin 等[18]的發(fā)現(xiàn)相一致。 他們?cè)岢鯯WA 在跑步機(jī)上測量快步行走（速度為4.8 km/h 和6.4 km/h）的CAL 時(shí)顯著高估了13%~27%。 King 等[19]發(fā)現(xiàn)SWA不僅高估在跑步機(jī)上行走時(shí)（速度為3.2 km/h、4.8 km/h和6.4 km/h）的CAL，而且還會(huì)高估奔跑速度分別為8.0 km/h 和9.7 km/h 時(shí)的CAL。 不同的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可能是由于實(shí)驗(yàn)所使用的SWA 內(nèi)置的專業(yè)研究軟件版本不同而造成的。 Fruin 和King 等的研究中SWA 所使用的軟件版本為5.1 或更早，SWA 顯著高估快步行走或跑步時(shí)的CAL。 而Drenowatz 等[20]使用6.1 版本的軟件發(fā)現(xiàn)SWA 顯著低估了代謝當(dāng)量＞10 MET 時(shí)的CAL。 筆者團(tuán)隊(duì)之前的研究曾使用6.1 版本， 發(fā)現(xiàn)SWA 顯著高估慢跑時(shí)的CAL 但低估快速跑時(shí)的CAL。 而本研究使用的是最新的8.1 版本， 結(jié)果顯示在低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)階段SWA 與IC所測值間無顯著不同， 因此SWA 測量CAL 的有效區(qū)間進(jìn)一步增加， 也進(jìn)一步提高了使用SWA 測量足球訓(xùn)練比賽中的能量消耗的有效性和作為參考對(duì)照值的可靠性，

本研究使用PadR+L 測量CAL 所得的數(shù)據(jù)和IC 或者SWA 相比結(jié)果趨勢一致，PadR+L 顯著高估了Walking 階段的能量消耗率和低估了其他5 個(gè)階段的能量代謝率。 但在Running1 階段，PadR+L 和IC或SWA 測量值間的差異小于10%。 說明此智能鞋墊可以有效用于測量較低速度（6.4 km/h）跑步時(shí)的CAL。

尚缺乏國內(nèi)外對(duì)于評(píng)估Actigraph 和Armband在足球運(yùn)動(dòng)場上應(yīng)用有效性的文獻(xiàn)， 目前無法確定此智能鞋墊是否比Actigraph 或Armband 更能有效進(jìn)行場外測試。 但考慮到在實(shí)際足球動(dòng)作中腳部的動(dòng)作變化頻繁， 髖部和上肢的動(dòng)作并非總是與腳部同步一致， 因此，PadR+L 所得的VM 和步數(shù)很有可能會(huì)顯著高于GWaist 和SWA 所得相應(yīng)數(shù)據(jù)， 本研究數(shù)據(jù)與此推測相符，但仍需進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

場地測試中， 智能鞋墊采用室外GPS 模式，PadR+L 測得的運(yùn)動(dòng)總距離和熱量總消耗與SWA 所測值間無顯著性差異。 筆者團(tuán)隊(duì)的前期研究[9]和此次室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)測試均驗(yàn)證SWA 能有效測量足球訓(xùn)練比賽中的CAL，因此采用GPS 模式的智能鞋墊也可有效應(yīng)用于足球場上的CAL 測試中。但國內(nèi)外尚無文獻(xiàn)證明SWA 可有效測定足球場上的運(yùn)動(dòng)總距離，本研究數(shù)據(jù)雖說明PadR+L 的數(shù)據(jù)和SWA 無顯著差異，但是否準(zhǔn)確有效仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究嘗試通過檢測內(nèi)置三軸加速度計(jì)的智能鞋墊對(duì)于感知運(yùn)動(dòng)員身體運(yùn)動(dòng)并提供能量消耗情況的準(zhǔn)確性和有效性， 來探索該智能鞋墊在監(jiān)測職業(yè)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的可能性。 室內(nèi)運(yùn)動(dòng)測試結(jié)果顯示在中高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（＞8 km/h），內(nèi)置三軸加速度計(jì)的鞋墊可能比佩戴在其他部位的加速度計(jì)對(duì)于身體移動(dòng)更加敏感。 智能鞋墊在登山或中高強(qiáng)度跑步狀態(tài)下可較準(zhǔn)確測量步數(shù)， 但在快走和慢跑時(shí)步數(shù)測量有效性較低。除此之外，智能鞋墊可較有效測量中等強(qiáng)度跑步（9.6 km/h）和慢跑（6.4 km/h）時(shí)的CAL。

在室外場地訓(xùn)練中， 智能鞋墊所得的VM 和步數(shù)雖顯著高于GT3X+ 和SWA 所測數(shù)據(jù)， 但可能更能有效反映球場上的動(dòng)作變化。 當(dāng)智能鞋墊采用室外GPS 模式時(shí)，智能鞋墊可較準(zhǔn)確測量CAL，但其測量的運(yùn)動(dòng)總距離還需進(jìn)一步使用其他GPS 測量儀器進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

總的來說， 此款內(nèi)置三軸加速度計(jì)的智能鞋墊便于穿戴和長時(shí)間監(jiān)測， 提供的多種運(yùn)動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)在一些特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中比較有效， 尤其適用于室外場地運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測， 易于被不同項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員接納和使用。但不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目有不同的運(yùn)動(dòng)模式和動(dòng)作特點(diǎn)，此智能鞋墊是否適用于其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目還需進(jìn)一步專項(xiàng)測試來驗(yàn)證。