加速度计在能量代谢检测中的应用现状

吉喆 崔玉鹏 李林 梁蕾

首都体育学院（北京 100191）

加速度计在能量代谢检测中的应用现状

吉喆 崔玉鹏 李林 梁蕾

首都体育学院（北京 100191）

体力活动（Physical Activity，PA）是指所有由于骨骼肌收缩产生的身体活动，PA在基础代谢的水平上，使身体能量消耗（Energy Expenditure，EE）增加［1］。美国疾病控制与预防中心 （Centers for Disease Control and Prevention，CDC）和其他运动医学组织提出建议：为了促进健康，成人应该每天进行30分钟以上的中等强度运动［2］。PA的好处明显，但如何检测PA水平却是一件有难度的工作，在科研和生活中可以通过检测身体活动中消耗的能量 （Physical Activity Energy Expenditure，PAEE）评价PA水平，因此需要有效可靠的检测PAEE的方法。加速度计是近年来被广泛应用的一种多功能的PA检测工具。它在检测PA时，可用于身体姿势和动作的等级划分、能量消耗的估测、跌倒和平衡控制的评价等多个方面。它的创新之处在于，它是第一个可24小时使用并准确监测能量消耗、心率、活动强度水平、运动距离、步数和睡眠质量的综合性工具［3］。

为了总结加速度计在能量代谢检测中应用的现状，发现存在的问题和解决方法，为今后该类仪器在有关研究中的应用提供参考。本研究通过查阅中外文献，对加速度计在能量代谢检测中的应用情况进行总结。（1）检索CNKI全文数据库，关键词为“加速度计、能量代谢、体力活动和能量消耗”，文献筛选标准是：采用加速度计技术方法；以加速度计在身体活动中的应用为主要研究内容；近5年且发表在核心期刊者优先。检索到文献19篇。（2）检索Pubmed文摘数据库，关键词为“Accelerometer，Physical activity and energy expenditure，Reliability，Validity”；文献筛选标准是：采用加速度计技术方法，以加速度计的应用为主要研究内容，近10年且发表在SCI数据库收录杂志上的优先。检索到文献62篇。本文总结不同种类加速度计在体力活动能量代谢检测上的应用情况，分析各类加速度计在应用中的效度和信度。

1 加速度计的分类及工作原理

1.1 加速度计的分类

根据加速度计内部元件的工作机理可将其分为压阻式、压电式和电容式三类。根据加速度计内部的加速度传感器的个数又可将其分为单轴（垂直轴）加速度计、双轴加速度计和三轴加速度计［4］。

1.2 加速度计的工作原理

加速度计法是国际上普遍认可的一种PAEE的测量方法，近几年来，它开始被广泛应用于科学研究中。其原理是通过传感器将人体运动时的加速度变化转换为电信号，将电信号收集、处理并存储起来，得到运动中加速度计数（Counts），即以一定时间间隔采样的活动频率和强度。然后将测得的结果下载到电脑上，通过专门的软件进行处理分析：根据预先设定好的性别、年龄、身高、体重及测得的Counts等指标建立回归方程，推断出PAEE［5］。它一般有两种主要的传感器，一种是加速度计，用于感应在一个或几个方向上的直线加速度，另一种是回转器，用于感受在一个或几个轴上的角度变化［6］。

2 加速度计在检测人体能量消耗过程中的应用

2.1 身体活动研究中选择加速度计的原因

以主观的身体活动日记推测PAEE的方法准确性较低，需要配合客观准确的PAEE测量方法使用［7］，而双标水法 （Doubly Labeled Water，DLW）、直接测热法、间接测热法（Indirect Calorimetry，IC）测量PAEE虽然准确，但却价格昂贵，操作复杂，应用有一定的局限性，不适合大样本人群的使用。与上述的PAEE测量方法相比，加速度计法兼具准确性高、携带方便、性价比高等优点，越来越受到研究者的关注。

2.2 如何应用加速度计

2.2.1 加速度计佩戴位置的选择

在大部分研究中，加速度计被固定在人体的髋部或腰部，因为躯干占据了人体大部分的重量，而腰部接近人体的重心，所以固定在腰髋位置的感应器能够更好地反映人体的主要运动。并且加速度计能够轻松地被固定在腰髋部水平的带子上，因此基本不会对人体活动产生干扰［8］。走动、身体姿势变化和活动的转换都可以被腰部加速度计区分出来。除此之外，加速度计也可以固定在人体的上臂、腕部或脚踝。

2.2.2 加速度计佩戴时间的选择

加速度计评价PA水平还需考虑仪器佩戴时间的长短。不同佩带时间对仪器的有效性有影响，佩戴时间相对长，有效性更好，一般认为4～9日全天佩戴且包括两个休息日的测量结果效度较高，实际研究中为了便于操作，常常将佩戴时间缩短为4整天且包含一个休息日［9］。对于儿童少年体力活动的测量，有学者认为连续7天佩戴加速度计可对每日的中高强度体力活动作出较好评估［10］。也有研究认为佩戴加速度计3天即可反映受试者日常体力活动情况［11］。

2.2.3 几种常用加速度计的特点与应用情况

表1 常见加速度计特点与应用情况

2.3 加速度计检测能量消耗的信度与效度

由表2可见，加速度计测量EE的结果与标准测热法检测结果的相关系数在0.46～0.97范围内波动；仪器具有较高的可靠性，同一型号机器重复检测的相关系数在0.73～0.998范围内波动；对于中风偏瘫等体力活动障碍人群日常生活中EE检测，加速度计不适用；对于体力活动强度较低的PAEE检测，加速度计有误差；日产加速度计准确性差，对于所有强度运动PAEE的检测均会产生误差。

2.4 影响加速度计检测结果的主要因素

研究发现，受试者运动强度和运动形式、加速度计型号、受试者自身特点是影响检测结果的主要因素。此外，某些特殊人群不适合应用加速度计检测PAEE。

2.4.1 运动形式

不同的运动形式对加速度计的检测结果有显著影响。研究发现与IC检测结果相比较，加速度计一般会低估有一定倾角运动形式的EE，如上下楼梯、在斜坡上运动等［33］。且对于固定在腰部的加速度计来说，人体上身的移动、静态运动和姿势变换产生的能量消耗不能得到准确测量［34］。

2.4.2 运动强度

不同的运动强度会对加速度计的检测结果产生影响，有研究分别对不同运动强度运动中加速度计与IC估测的EE进行了比较，发现中等强度、大强度体力活动时两者数据高度相关，但小强度体力活动时，二者相关性较低［35］，这可以解释加速度计能够准确测量中等强度、大强度PAEE，但对于久坐行为的EE测定不够准确。

2.4.3 运动时间

运动时间的长短也对加速度计的检测结果有影响，有研究发现长时间PAEE的测定，加速度计相对于双标水法会略低估EE，仪器的可靠性有待提高［36］。

2.4.4 受试者自身特点

体力活动水平特别低的人群不适合日常生活中PAEE检测。有研究以中风偏瘫患者为研究对象，发现加速度计与IC相比，相关系数仅0.004［37］。

表2 加速度计检测EE信度与效度［21-32］

此外，现存的加速度计在PAEE的测量中，不能准确测量肌肉等长收缩、上身的移动、姿势变换产生的EE，不能测量游泳等在水中进行的PAEE［38］。最新的GT3X+、RT3已经增加了防水功能，具体应用还需在实践中探索。另外，目前还缺乏适用于我国各年龄段国民的加速度计计数与PAEE的回归方程。

3 研究中配合加速度计使用的主要方法

调查问卷法是评估体力活动水平经常使用的一种方法，能提供受试者参加的各种运动形式的信息。在评测运动的环境、运动形式和某些运动行为的决定因素方面，自我报告法比客观的体力活动评测更具优势［39］，但缺点在于不能完全记录全天的所有身体活动，并且对于老人等以静态生活方式为主的人群，他们从事的运动更多是小强度的身体活动，如家务劳动等，一般不会在问卷中体现［40］。膳食调查法以能量摄入量反映EE，通过调查受试者在某一时期内摄入的能量来反映其EE，评定受试者的运动量，科学制定减肥运动处方［41］。常见方法有称重法、记账法、询问法和化学分析法等［42］。24小时询问回顾法是膳食调查经常使用的方法，有人采用该方法对9～10岁肥胖儿童进行了膳食调查，估测能量摄入，结合PAEE的测量，为肥胖儿童提供合适的运动处方［43］。

加速度计是客观准确的PAEE测量工具。受试者运动强度和运动方式、加速度计型号、佩戴时间及受试者自身特点是影响检测结果的主要因素。加速度计检测热能消耗方法适用于年龄65岁以下、自主运动无障碍、体力活动较多的人群的研究。

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2012.01.30

2010年度北京市教委人才强教深化计划“学术创新团队建设计划”子课题项目

崔玉鹏，Email：cuiyupeng@cupes.edu.cn