吉喆 崔玉鵬 李林 梁蕾

首都體育學(xué)院（北京 100191）

加速度計(jì)在能量代謝檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

吉喆 崔玉鵬 李林 梁蕾

首都體育學(xué)院（北京 100191）

體力活動(dòng)（Physical Activity，PA）是指所有由于骨骼肌收縮產(chǎn)生的身體活動(dòng)，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(guó)疾病控制與預(yù)防中心 （Centers for Disease Control and Prevention，CDC）和其他運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)組織提出建議：為了促進(jìn)健康，成人應(yīng)該每天進(jìn)行30分鐘以上的中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)［2］。PA的好處明顯，但如何檢測(cè)PA水平卻是一件有難度的工作，在科研和生活中可以通過(guò)檢測(cè)身體活動(dòng)中消耗的能量 （Physical Activity Energy Expenditure，PAEE）評(píng)價(jià)PA水平，因此需要有效可靠的檢測(cè)PAEE的方法。加速度計(jì)是近年來(lái)被廣泛應(yīng)用的一種多功能的PA檢測(cè)工具。它在檢測(cè)PA時(shí)，可用于身體姿勢(shì)和動(dòng)作的等級(jí)劃分、能量消耗的估測(cè)、跌倒和平衡控制的評(píng)價(jià)等多個(gè)方面。它的創(chuàng)新之處在于，它是第一個(gè)可24小時(shí)使用并準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)能量消耗、心率、活動(dòng)強(qiáng)度水平、運(yùn)動(dòng)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(jì)在能量代謝檢測(cè)中應(yīng)用的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)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(guò)查閱中外文獻(xiàn)，對(duì)加速度計(jì)在能量代謝檢測(cè)中的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)。（1）檢索CNKI全文數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)鍵詞為“加速度計(jì)、能量代謝、體力活動(dòng)和能量消耗”，文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)是：采用加速度計(jì)技術(shù)方法；以加速度計(jì)在身體活動(dòng)中的應(yīng)用為主要研究?jī)?nèi)容；近5年且發(fā)表在核心期刊者優(yōu)先。檢索到文獻(xiàn)19篇。（2）檢索Pubmed文摘數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)鍵詞為“Accelerometer，Physical activity and energy expenditure，Reliability，Validity”；文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)是：采用加速度計(jì)技術(shù)方法，以加速度計(jì)的應(yīng)用為主要研究?jī)?nèi)容，近10年且發(fā)表在SCI數(shù)據(jù)庫(kù)收錄雜志上的優(yōu)先。檢索到文獻(xiàn)62篇。本文總結(jié)不同種類加速度計(jì)在體力活動(dòng)能量代謝檢測(cè)上的應(yīng)用情況，分析各類加速度計(jì)在應(yīng)用中的效度和信度。

1 加速度計(jì)的分類及工作原理

1.1 加速度計(jì)的分類

根據(jù)加速度計(jì)內(nèi)部元件的工作機(jī)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(jì)內(nèi)部的加速度傳感器的個(gè)數(shù)又可將其分為單軸（垂直軸）加速度計(jì)、雙軸加速度計(jì)和三軸加速度計(jì)［4］。

1.2 加速度計(jì)的工作原理

加速度計(jì)法是國(guó)際上普遍認(rèn)可的一種PAEE的測(cè)量方法，近幾年來(lái)，它開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中。其原理是通過(guò)傳感器將人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)收集、處理并存儲(chǔ)起來(lái)，得到運(yùn)動(dòng)中加速度計(jì)數(shù)（Counts），即以一定時(shí)間間隔采樣的活動(dòng)頻率和強(qiáng)度。然后將測(cè)得的結(jié)果下載到電腦上，通過(guò)專門的軟件進(jìn)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(cè)得的Counts等指標(biāo)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(jì)，用于感應(yīng)在一個(gè)或幾個(gè)方向上的直線加速度，另一種是回轉(zhuǎn)器，用于感受在一個(gè)或幾個(gè)軸上的角度變化［6］。

2 加速度計(jì)在檢測(cè)人體能量消耗過(guò)程中的應(yīng)用

2.1 身體活動(dòng)研究中選擇加速度計(jì)的原因

以主觀的身體活動(dòng)日記推測(cè)PAEE的方法準(zhǔn)確性較低，需要配合客觀準(zhǔn)確的PAEE測(cè)量方法使用［7］，而雙標(biāo)水法 （Doubly Labeled Water，DLW）、直接測(cè)熱法、間接測(cè)熱法（Indirect Calorimetry，IC）測(cè)量PAEE雖然準(zhǔn)確，但卻價(jià)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(cè)量方法相比，加速度計(jì)法兼具準(zhǔn)確性高、攜帶方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。

2.2 如何應(yīng)用加速度計(jì)

2.2.1 加速度計(jì)佩戴位置的選擇

在大部分研究中，加速度計(jì)被固定在人體的髖部或腰部，因?yàn)檐|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(yùn)動(dòng)。并且加速度計(jì)能夠輕松地被固定在腰髖部水平的帶子上，因此基本不會(huì)對(duì)人體活動(dòng)產(chǎn)生干擾［8］。走動(dòng)、身體姿勢(shì)變化和活動(dòng)的轉(zhuǎn)換都可以被腰部加速度計(jì)區(qū)分出來(lái)。除此之外，加速度計(jì)也可以固定在人體的上臂、腕部或腳踝。

2.2.2 加速度計(jì)佩戴時(shí)間的選擇

加速度計(jì)評(píng)價(jià)PA水平還需考慮儀器佩戴時(shí)間的長(zhǎng)短。不同佩帶時(shí)間對(duì)儀器的有效性有影響，佩戴時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，有效性更好，一般認(rèn)為4～9日全天佩戴且包括兩個(gè)休息日的測(cè)量結(jié)果效度較高，實(shí)際研究中為了便于操作，常常將佩戴時(shí)間縮短為4整天且包含一個(gè)休息日［9］。對(duì)于兒童少年體力活動(dòng)的測(cè)量，有學(xué)者認(rèn)為連續(xù)7天佩戴加速度計(jì)可對(duì)每日的中高強(qiáng)度體力活動(dòng)作出較好評(píng)估［10］。也有研究認(rèn)為佩戴加速度計(jì)3天即可反映受試者日常體力活動(dòng)情況［11］。

2.2.3 幾種常用加速度計(jì)的特點(diǎn)與應(yīng)用情況

表1 常見(jiàn)加速度計(jì)特點(diǎn)與應(yīng)用情況

2.3 加速度計(jì)檢測(cè)能量消耗的信度與效度

由表2可見(jiàn)，加速度計(jì)測(cè)量EE的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)熱法檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.46～0.97范圍內(nèi)波動(dòng)；儀器具有較高的可靠性，同一型號(hào)機(jī)器重復(fù)檢測(cè)的相關(guān)系數(shù)在0.73～0.998范圍內(nèi)波動(dòng)；對(duì)于中風(fēng)偏癱等體力活動(dòng)障礙人群日常生活中EE檢測(cè)，加速度計(jì)不適用；對(duì)于體力活動(dòng)強(qiáng)度較低的PAEE檢測(cè)，加速度計(jì)有誤差；日產(chǎn)加速度計(jì)準(zhǔn)確性差，對(duì)于所有強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)PAEE的檢測(cè)均會(huì)產(chǎn)生誤差。

2.4 影響加速度計(jì)檢測(cè)結(jié)果的主要因素

研究發(fā)現(xiàn)，受試者運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)形式、加速度計(jì)型號(hào)、受試者自身特點(diǎn)是影響檢測(cè)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(jì)檢測(cè)PAEE。

2.4.1 運(yùn)動(dòng)形式

不同的運(yùn)動(dòng)形式對(duì)加速度計(jì)的檢測(cè)結(jié)果有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)與IC檢測(cè)結(jié)果相比較，加速度計(jì)一般會(huì)低估有一定傾角運(yùn)動(dòng)形式的EE，如上下樓梯、在斜坡上運(yùn)動(dòng)等［33］。且對(duì)于固定在腰部的加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，人體上身的移動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)變換產(chǎn)生的能量消耗不能得到準(zhǔn)確測(cè)量［34］。

2.4.2 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度

不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度會(huì)對(duì)加速度計(jì)的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，有研究分別對(duì)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中加速度計(jì)與IC估測(cè)的EE進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度、大強(qiáng)度體力活動(dòng)時(shí)兩者數(shù)據(jù)高度相關(guān)，但小強(qiáng)度體力活動(dòng)時(shí)，二者相關(guān)性較低［35］，這可以解釋加速度計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量中等強(qiáng)度、大強(qiáng)度PAEE，但對(duì)于久坐行為的EE測(cè)定不夠準(zhǔn)確。

2.4.3 運(yùn)動(dòng)時(shí)間

運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短也對(duì)加速度計(jì)的檢測(cè)結(jié)果有影響，有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間PAEE的測(cè)定，加速度計(jì)相對(duì)于雙標(biāo)水法會(huì)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(diǎn)

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

表2 加速度計(jì)檢測(cè)EE信度與效度［21-32］

此外，現(xiàn)存的加速度計(jì)在PAEE的測(cè)量中，不能準(zhǔn)確測(cè)量肌肉等長(zhǎng)收縮、上身的移動(dòng)、姿勢(shì)變換產(chǎn)生的EE，不能測(cè)量游泳等在水中進(jìn)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(shí)踐中探索。另外，目前還缺乏適用于我國(guó)各年齡段國(guó)民的加速度計(jì)計(jì)數(shù)與PAEE的回歸方程。

3 研究中配合加速度計(jì)使用的主要方法

調(diào)查問(wèn)卷法是評(píng)估體力活動(dòng)水平經(jīng)常使用的一種方法，能提供受試者參加的各種運(yùn)動(dòng)形式的信息。在評(píng)測(cè)運(yùn)動(dòng)的環(huán)境、運(yùn)動(dòng)形式和某些運(yùn)動(dòng)行為的決定因素方面，自我報(bào)告法比客觀的體力活動(dòng)評(píng)測(cè)更具優(yōu)勢(shì)［39］，但缺點(diǎn)在于不能完全記錄全天的所有身體活動(dòng)，并且對(duì)于老人等以靜態(tài)生活方式為主的人群，他們從事的運(yùn)動(dòng)更多是小強(qiáng)度的身體活動(dòng)，如家務(wù)勞動(dòng)等，一般不會(huì)在問(wèn)卷中體現(xiàn)［40］。膳食調(diào)查法以能量攝入量反映EE，通過(guò)調(diào)查受試者在某一時(shí)期內(nèi)攝入的能量來(lái)反映其EE，評(píng)定受試者的運(yùn)動(dòng)量，科學(xué)制定減肥運(yùn)動(dòng)處方［41］。常見(jiàn)方法有稱重法、記賬法、詢問(wèn)法和化學(xué)分析法等［42］。24小時(shí)詢問(wèn)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(duì)9～10歲肥胖兒童進(jìn)行了膳食調(diào)查，估測(cè)能量攝入，結(jié)合PAEE的測(cè)量，為肥胖兒童提供合適的運(yùn)動(dòng)處方［43］。

加速度計(jì)是客觀準(zhǔn)確的PAEE測(cè)量工具。受試者運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方式、加速度計(jì)型號(hào)、佩戴時(shí)間及受試者自身特點(diǎn)是影響檢測(cè)結(jié)果的主要因素。加速度計(jì)檢測(cè)熱能消耗方法適用于年齡65歲以下、自主運(yùn)動(dòng)無(wú)障礙、體力活動(dòng)較多的人群的研究。

［1］姚鴻恩.體育保健學(xué).第四版.北京：人民體育出版社，2001.50.

［2］Aires L，Pratt M，Lobelo F，et al.Associations of cardiorespiratory fitness in children and adolescents with physical activity，active commuting to school，and screen time.J Phys Act Health，2011，8（Suppl 2）：198-204.

［3］李海燕，陳佩杰.上海市青少年日常體力活動(dòng)測(cè)量方法的

研究與應(yīng)用.上海體育學(xué)院博士學(xué)位論文，2010：18-21.［4］王麗.體力活動(dòng)能量消耗的測(cè)量方法及其應(yīng)用.安徽醫(yī)

學(xué)，2011，32（6）：849-851.

［5］朱衛(wèi)紅.上肢活動(dòng)加速度與能量消耗特征初探.蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009：11-15.

［6］Yang CC，Hsu YL.A review of accelerometry-based wearablemotion detectors for physical activity monitoring.Sensors（Basel），2010，10：7772-7783.

［7］屈寧寧，李可基.國(guó)際體力活動(dòng)問(wèn)卷中文版的信度和效度研究.中華流行病學(xué)雜志，2004，25（3）：265-268.

［8］Ekblom O，Nyberg G，Ekblom Bak E，et al.Validity and Comparability of a Wrist-Worn Accelerometer in Children.JPhys Act Health，2012，9（3）：389-393.

［9］Crouter SE，Clowers KG，Bassett DR Jr.A novelmethod for using accelerometer data to predict energy expenditure.J Appl Physiol，2005，12：1324-1331.

［10］賀剛，黃雅君，王香生.加速度計(jì)在兒童體力活動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用.體育科學(xué)，2011，31（8）：72-75.

［11］Kochersberger G，McConnell E，Kuchibhatla MN，et al.The reliability,validity,and stability of a measure of physical activity in the elderly.Arch Phys Med Rehabil，1996，77（8）：793-795.

［12］湯強(qiáng)，盛蕾，朱衛(wèi)紅.人體活動(dòng)研究中加速度計(jì)的應(yīng)用.體育科學(xué)，2009，29（1）：77-83.

［13］Garatachea N，Torres Luque G，González Gallego J.Physical activity and energy expenditure measurements using accelerometers in older adults.Nutr Hosp，2010，25（2）：224-230.

［14］Brychta RJ，Klonoff A，Klonoff M，et al.Influence of actigraph filter settings on detecting low and high intensity movements.International Congress on Physical Activity and Public Health（ICPAPH）.2010.

［15］李海燕，陳佩杰，莊潔.運(yùn)動(dòng)傳感器（SWA）在測(cè)量青少年日常體力活動(dòng)水平中的應(yīng)用.上海體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，34（3）：46-48.

［16］朱琳，陳佩杰.能量消耗測(cè)量方法及其應(yīng)用.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（6）：577-579.

［17］Rowlands AV，Thomas PW，Eston RG，et al.Validation of the RT3 triaxial accelerometer for the assessment of physical activity.Med Sci Sports Exerc，2004，36：518-524.

［18］Vanhelst J，Theunynck D，Gottrand F，et al.Reliability of the RT3 accelerometer formeasurementof physical activity in adolescents.JSports Sci，2010，28（4）：375-379.

［19］Benedetti MG，Di Gioia A，Conti L，et al.Physical activity monitoring in obese people in the real life environment.J Neuroeng Rehabil，2009，6：47.

［20］湯強(qiáng)，王香生，盛蕾.體力活動(dòng)測(cè)量方法研究進(jìn)展.體育科學(xué)，2008，29（6）：79-84.

［21］Colbert LH，Matthews CE，Haviqhurst TH，et al.Comparative validity of physical activity measures in older adults.Med Sci Sports Exerc，2011，43（5）：867-876.

［22］Nichols JF，Morgan CG，Sarkin JA，et al.Validity，reliability，and calibration of the Tritrac accelerometer as ameasure of physical activity.Med Sci Sports Exerc，1999，31（6）：908-912.

［23］Jakicic JM，Winters C，Lagally K，et al.The accuracy of the TriTrac-R3Daccelerometer to estimate energy expenditure.Med Sci Sports Exerc，1999，31（5）：745-754.

［24］Aviram R，Belokopytov M，Ben-Chaim S，et al.Evaluation of energy expenditure in children with cerebral palsy using a multi-sensor accelerometer.Sports Med Phys Fitness，2011，51（3）：506-514.

［25］Kuffel EE，Crouter SE，Haas JD，et al.Validity of estimatingminute-by-minute energy expenditure of continuous walking bouts by accelerometry.Int J Behav Nutr Phys Act，2011，24（8）：92.

［26］Swartz AM，Strath SJ，Miller NE，et al.Validity of physicalactivity monitors in assessing energy expenditure in normal，overweight，and obese adults.Open Sports Sci J，2009，2：58-64.

［27］Trost SG，Way R，Okely AD.Predictive validity of three ActiGraph energy expenditure equations for children.Med Sci Sports Exerc，2006，38（2）：380-387.

［28］Crouter SE，Churilla JR，Bassett DR.Estimating energy expenditure using accelerometers.Eur J Appl Physiol，2006，98（6）：601-612.

［29］Eisenmann JC，Strath SJ，Shadrick D，et al.Validity of uniaxial accelerometry during activities of daily living in children.Eur JAppl Physiol，2004，91（2-3）：259-263.

［30］George AK，Nancy T，Charlie P，et al.Comparison of activity monitors to estimate energy cost of treadmill exercise.Med Sci Sports Exerc，2004，36（7）：1244-1251.

［31］Chen KY，Acra SA，Majchrzak K，et al.Predicting energy expenditure of physical activity using hip-and wrist-worn accelerometers.Diabetes Technol Ther，2003，5（6）：1023-1033.

［32］Kumahara H，Ishii K，Tanaka H.Physical activitymonitoring for health management：Practical techniques and methodological issues.Int J Sport Health Sci，2006，4：380-393.

［33］ Tanaka C，Tanaka S，Kawahara J，et al.Triaxial accelerometry for assessment of physical activity in young children.Obesity （Silver Spring），2007，15 （5）：1233-1241.

［34］Zhang S，Rowlands AV，Murray P，et al.Physical activity classification using the GENEA wrist-worn accelerometer.Med Sci Sports Exerc，2012，44（4）：742-8.

［35］Kavouras SA，Sarras SE，Tsekouras YE，et al.Assessment of energy expenditure in children using the RT3 accelerometer.JSports Sci，2008，26（9）：959-66.

［36］Graves L，Stratton G，Ridgers ND，et al.Energy expenditure in adolescents playing new generation computer games.Br JSportsMed，2008，42（7）：592-594.

［37］Haeuber E，Shaughnessy M，F(xiàn)orrester LW，etal.Accelerometermonitoring ofhome-and community-based ambulatory activity after stroke.Arch PhysMed Rehabil，2004，85（12）：1997-2001.

［38］Corder K，Ekelund U，Steele RM，et al.Assessment of physical activity in youth.JAppl Physiol，2008，105（3）：977-987.

［39］Argiropoulou EC，Michalopoulou M，Aggeloussis N.Validity and reliability of physical activity measures in Greek high School age children.JSports Sci Med，2004，3：147-159.

［40］文雯，卓勤，樸建華.人體能量消耗測(cè)量方法研究進(jìn)展.中華預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2011，45（4）：362-364.

［41］李海燕，陳佩杰，莊潔.11～16歲肥胖青少年體力活動(dòng)耗氧量推算方法實(shí)驗(yàn)研究.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2010，29（2）：217-219.

［42］唐高見(jiàn)，呂曉華.人體能量消耗的測(cè)量誤差.中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，12（2）：344-347.

［43］譚思潔，楊春華.9～10歲肥胖兒童減肥運(yùn)動(dòng)處方的研制及效果觀察.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（1）：16-21.

2012.01.30

2010年度北京市教委人才強(qiáng)教深化計(jì)劃“學(xué)術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃”子課題項(xiàng)目

崔玉鵬，Email：cuiyupeng@cupes.edu.cn