Characteris tics  o f Different  Mo tio n Sens o rs and Its Us e in Meas uring  Energ y  Expenditure
    趙文華綜述（中國疾病預防控制中心，北京１０００５０）
    摘要：計步器和加速器為基礎的體力活動(dòng)監測器是目前快速而準確地評估體力活動(dòng)能量消耗的有效的新方法。這些儀器在科學(xué)研究和現場(chǎng)調查中被廣泛地采用。但這些儀器型號、功能、結構特點(diǎn)、使用范圍及收集數據的準確性方面不盡相同。本文將對目前普遍使用的各種計步器和加速器為基礎的體力活動(dòng)監測器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，為將來(lái)的調查研究提供參考。
    關(guān)鍵詞：運動(dòng)感受器；能量消耗
    大量研究表明適量的體力活動(dòng)有助于維持機體健康，并對多種慢性病，如肥胖、糖尿病、冠心病等的發(fā)生有一定的預防作用。但如何準確快捷地評估體力活動(dòng)中的能量消耗一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。
    評估體力活動(dòng)和能量消耗的方法有很多，如問(wèn)卷調查、回訪(fǎng)、測定能量消耗、觀(guān)察和時(shí)間運動(dòng)分析記錄、對活動(dòng)生理反應的記錄、雙標水法等。但是，這些調查大多數主要集中于高強度的體力活動(dòng)，而且許多研究依賴(lài)受試者的自我報告數據估計能量消耗情況。自我報告的數據易產(chǎn)生誤差，有其固有的局限性。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，便攜式運動(dòng)測定裝置的發(fā)展為體力活動(dòng)和能量消耗的測定提供了客觀(guān)的方法。但在不同的條件下，這些運動(dòng)測定裝置各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文就目前國內外流行的幾種運動(dòng)測定儀器，包括計步器和加速器為基礎的運動(dòng)感受裝置的情況進(jìn)行介紹，以便于人們了解這些運動(dòng)測定裝置對評估體力活動(dòng)和能量消耗時(shí)的作用。
１計步器在評估體力活動(dòng)中的應用
    計步器是可進(jìn)行現場(chǎng)研究的一種廉價(jià)的工具。這種儀器具有花費少、體積較小、不會(huì )對受試者產(chǎn)生不便、反饋信息速度快等特點(diǎn)。計步器的原理是對身體的垂直加速做出反應。當垂直加速超過(guò)特定域值時(shí)，計步器內部的一個(gè)引發(fā)機制便記錄一步。早期研究報道稱(chēng)計步器在估計步數及走步距離時(shí)可信性較差和誤差較大。這種錯誤可能是由于早期的這些儀器存在技術(shù)上的限制所致。由于技術(shù)進(jìn)步和質(zhì)量控制手段的發(fā)展使得計步器的可信性和準確性得到了很大的改善。Bassett等報道大多數計步器測定結果是可接受的，特別是Yamax公司的Yamax Digi－Walker 計步器，Digi－Walker 型計步器測定各種步速的步數和走步距離是很準確的。在現場(chǎng)研究中，走４．８８km的小路，Digi－Walker 計步器記錄的步數和距離與真實(shí)的值相差在１％以?xún)取Ｓ袔孜谎芯空咦罱鼘igi－Walker 計步器與其它的裝置進(jìn)行了比較。E－ston及其同事等報道兒童無(wú)規律的低強度運動(dòng)中步數與記錄的VO２測定結果間的相關(guān)性為０．９２。在成年人中觀(guān)察到Tritrac和一種Digi－Walker 計步器的７天監測結果間的相關(guān)性為０．７６。這兩項研究為Digi－Walker 計步器在評估日常體力活動(dòng)的客觀(guān)性方面提供了主要的證據。
    Welk等評估了Digi－Walker 計步器在確定人群體力活動(dòng)方面的有效性。他們對３１名成年受試者（男１７人，女１４人）進(jìn)行了研究，結果表明計步器對于記錄每天的步數是很有用的。該研究表明Digi－Walker 計步器在控制良好的環(huán)境下測定步行或跑步１英里（１．６１km）需要大約１３００～２０００步。與慢跑或跑步相比，走步需要較多的步數。不同個(gè)體不同步速時(shí)，步數的變化與人體測量變量有關(guān)，這些結果與Bassett等的研究結果是一致的 。兩項研究均表明在不同表面走步或慢跑的步數沒(méi)有差異，同時(shí)也表明Digi－Walker 計步器對于較慢的速度可信性較差。
    Digi－Walker 計步器記錄的步數數據對于活動(dòng)水平的定量提供了有用的標準。例如，使用特定步速（平均每英里１９３５步）時(shí)的步數記錄數據，推斷約３８００－４０００步可以滿(mǎn)足目前的指導原則所規定的３０min中等強度活動(dòng)或步行２英里或４mph的步行。但如果是在一整天內進(jìn)行監測，這個(gè)數字則不能用來(lái)對一個(gè)活躍的人進(jìn)行評估分類(lèi)。因為大多數人通過(guò)正常的日常活動(dòng)可累計大量的步數，而這些活動(dòng)可能是低強度的，并不能提供有說(shuō)服力的健康益處。因此，如果用Digi－Walker 計步器評估日常活動(dòng)，那么每日要步行的目標應該規定的高一些。
    日本進(jìn)行的２項研究中使用步行１００００步作為干預研究的行為目標。但這個(gè)數字是如何被確定的并不清楚。盡管缺乏明顯的試驗證據，這個(gè)原則還是被多種活動(dòng)所推崇，并作為一種可實(shí)現的行為目標被廣泛的接受。超過(guò)１００００步的活動(dòng)似乎的確可達到公共健康活動(dòng)的指導原則（如超過(guò)３０min的中等強度活動(dòng)和或２０min的劇烈活動(dòng)），但在分類(lèi)上有很大的變動(dòng)性。例如，Welk等的試驗數據表明一天活動(dòng)大于４５min者達到１００００步的占７７％；若以３０min為標準，百分比基本相同，為７３％；相反，每天活動(dòng)３０min以下的自我監測者有２９％仍在１００００步以上。
    計步器在評估中等強度運動(dòng)時(shí)的誤差較評估高強度運動(dòng)時(shí)要小。例如在相同距離下，跑比走的步數要少。同樣，計步器也低估了其它一些活動(dòng)的水平，如在健康中心進(jìn)行的劇烈有氧運動(dòng)（如室內雪橇、樓梯踏步器和騎自行車(chē)）的水平。因此，對計步器的這些數據進(jìn)行解釋的時(shí)候，一定要考慮到活動(dòng)強度類(lèi)型的差異。計步數據的變化也可能是由于職業(yè)工作或日常活動(dòng)的差異所致。對職業(yè)活動(dòng)量大的人群進(jìn)行的研究報道發(fā)現工作的成年人（n＝４９３）的平均步數從６７００至１１９００不等。按職業(yè)狀況劃分，不活動(dòng)職業(yè)婦女和男性的平均步數分別為６７００和７３００。重體力活動(dòng)中婦女和男性的平均步數分別為９８００和１０８００；當數據按休閑活動(dòng)水平進(jìn)行劃分時(shí)，進(jìn)行“健康訓練”的人的平均步數為１０２００－１０５００，與職業(yè)活動(dòng)無(wú)關(guān)。
    計步器的局限性：如同其它所有的評估方法一樣，對于計步器的適用性也有一定的限制。一方面，計步器對速度的變化不敏感。在通過(guò)相同距離內，走比跑需要更多的步數，這很難通過(guò)計步器的數據反應出體力活動(dòng)的變化；另一個(gè)方面記步器不能按時(shí)間對運動(dòng)進(jìn)行分割。沒(méi)有時(shí)間方面的指標，就不可能確定所進(jìn)行活動(dòng)的時(shí)間和強度。因為一個(gè)人在正常的日常生活活動(dòng)中可累計大量的步數，所以很難確定需要多少步數來(lái)滿(mǎn)足現行的體力活動(dòng)指標。在日本進(jìn)行的兩項研究中將每日１００００步作為一個(gè)目標，但這些研究并沒(méi)有確定是否這些指標對其它人群也是適用的。
    Bassett，等的研究也表明Yamax SW－７０１計步器高估了步行時(shí)的能量消耗，范圍從２．９１－３．３７mph（７８－１００mmin）不等，但卻低估了大多數其他活動(dòng)的能量消耗約１MET。對多種家務(wù)活動(dòng)和庭院工作消耗能量的粗略估計值接近１MET。因此，對于那些很少或沒(méi)有機體垂直加速運動(dòng)的活動(dòng)如熨燙衣服、做飯、洗盤(pán)子等，其估計的能量消耗不會(huì )超過(guò)靜息代謝率（RMR）。盡管計步器對評估每日體力活動(dòng)的方式提供了很好的前景，但有必要根據不同的年齡、性別和職業(yè)對每日步行的模式進(jìn)行區分。計步器對于記錄每天的步數是很有用的，然而因為計步器并不包含收集時(shí)間樣本的能力，所以很難將日常正常生活中增加的步數與中等程度或高強度活動(dòng)中增加的步數區分。以使用時(shí)間為基礎的活動(dòng)監測儀在監測每日的步數方式上可能更為有用，因此在使用計步器在評估日常體力活動(dòng)和能量消耗時(shí)應給予注意。
２加速器在評估體力活動(dòng)中的應用
    以加速器為基礎的活動(dòng)監測器是另外一種測定體力活動(dòng)的方法。它也是對身體的垂直加速做出反應，以加速器為基礎的運動(dòng)敏感裝置（如Tritrac，Com－puter  Science and Applications Inc．monitor ）已變成了一種非常流行的評估儀器，許多監測儀器的效果在實(shí)驗室和現場(chǎng)情況下已得到證實(shí)。
    使用加速器的益處在于它們可提供持續活動(dòng)的直接、客觀(guān)的指標。以加速器為基礎的活動(dòng)檢測器為評估自由生活時(shí)的體力活動(dòng)提供了前景。這些儀器可對受試者最低量體力活動(dòng)的頻率、強度和時(shí)間提供客觀(guān)的記錄。這些設備很小，易于使用，可對持續活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程提供客觀(guān)的測定。這些儀器也具備間斷性的時(shí)間記錄和計算機下載能力等特點(diǎn)。這些特性使得它們更適合現場(chǎng)為基礎的研究，或用于證實(shí)自己報告的體力活動(dòng)測定結果的真實(shí)性。
    新式加速器為基礎的活動(dòng)監測儀器主要有：CSA（Computer  Science and Applications  monitor ）、Cal－trac、Tritrac、和Biotrainer 等。Tritrac具有三維性質(zhì)，而CSA和Biotrainer 只是對單個(gè)的平面進(jìn)行估計。先前的研究報道了Tritrac和它的前身一維的Caltrac間有很強的相關(guān)性（r＝０．８８）。在Tritrac和CSA及Biotrainer 間也有相似的報道，這表明盡管存在技術(shù)上和敏感性上的差異，但各種加速器為基礎的裝置可提供相似的信息。３種不同的監測器間有很強的一致的相關(guān)性。
    許多研究中使用Caltrac加速器，認為它是最適合接受的運動(dòng)確證工具。但Caltrac加速器的不足在于它缺乏儲存日后評估所需的連續每分鐘的數據的能力，研究參與者可使用按鈕，因而可改變結果。Kenz  Se－lect ２只相當于Caltrac的１３大小，可儲存７d的數據，它有一個(gè)金屬外殼可安全地關(guān)閉。CSA是７１６４型加速器，是一個(gè)較小的裝置，可儲存２２d的運動(dòng)數據。CSA可佩帶在腰部、腕部和踝部。
    Bassett等對９－７４歲的８１名受試者進(jìn)行了研究。這８１名受試者來(lái)自６個(gè)不同的活動(dòng)級別：庭院工作、家務(wù)活、工作、家庭護理、訓練和休閑活動(dòng)。１２人完成了全部２８種活動(dòng)。受試者同時(shí)佩帶３種加速器：CSA、Caltrac和Kenz  Select２和Yamax SW－７０１型子計步器。對于這４種運動(dòng)感受裝置在測定現場(chǎng)和實(shí)驗室內中等強度體力活動(dòng)時(shí)能量消耗（energy expendi－ture，EE）的準確性進(jìn)行了評估。該研究發(fā)現在現場(chǎng)和實(shí)驗室中，大多數運動(dòng)感受儀器低估了日常活動(dòng)的能量消耗；與其它儀器相比，CSA３的結果似乎是最正確的。２８種全部活動(dòng)中所有方法測定結果的平均誤差值（間接測熱法減去裝置測定值）為：CSA１０．９７METCSA２０．４７METCSA３０．０５METCaltrac０．８３METKenz ０．９６METYamax１．１２MET。
    CSA－１高估了步行時(shí)的能量消耗，范圍從２．９１－３．３７mph（７８－１００mmin）不等，然而它們卻低估了大多數其他活動(dòng)的能量消耗約１MET，其結果與Ya －max SW－７０１計步器類(lèi)似。
    Caltrac和Kenz 的回歸方程是由一些通常活動(dòng)如平地和斜坡上的走或跑、彎腰、摸地板等活動(dòng)中推導出來(lái)的。這兩種儀器對所有活動(dòng)的EE低估０．８－１．０MET。研究表明Caltrac低估了較低強度活動(dòng)的EE，但高估了較高強度活動(dòng)的EE。其它一些研究均注意到它對一系列的速度存在高估的情況。當檢測器被用于評估一定坡度的踏板走步時(shí)，它們存在顯著(zhù)的低估EE現象 。因此，大多數研究者建議用檢測器解釋EE的估計值時(shí)應予注意。盡管一些誤差可能是由于檢測器內在的局限性，但出現這樣的結果也可能是由于各種檢測器缺乏有效的特定人群為基礎的回歸方程。但這些儀器間的相關(guān)性非常高，r＝０．８８３，這表明他們對機體垂直加速活動(dòng)的反應相似。但是，Cal－trac和Kenz 這兩種裝置均傾向于高估步行時(shí)的能量消耗，而低估大多數其他類(lèi)型活動(dòng)時(shí)的能量消耗。例如快步走路消耗能量為４．６８METs 時(shí)，Caltrac測定的能耗值為６．１９METs ，而Kenz 測定的能耗值為５．４２METs 。Bassett等研究中使用Caltrac測定的結果與Haymes 和Byrnes 、Bray等及Balogun等測定的結果相似，這些研究發(fā)現Caltrac對平地快步行走時(shí)的能量消耗高估了２５％～５０％。但是，這些裝置卻低估了大多數日常活動(dòng)如清掃樹(shù)葉、園林工作和家務(wù)活動(dòng)時(shí)的能量消耗。使用Caltrac和Kenz 有一些優(yōu)點(diǎn)。這些儀器可通過(guò)一個(gè)人的年齡、身高、體重和性別等信息并通過(guò)標準化的方程式對RMR作出快速的估計 。
    CSA２使用Freedson等估計的模型，也低估了２８種活動(dòng)的EE。CSA２計算使用的回歸方程是根據在踏板上走步（８０和１０７m·min－１）和踏板上慢跑（１６１m·min－１）推導出來(lái)的，而CSA３使用Hendelman等根據日常活動(dòng)估計的回歸方程式。
    運動(dòng)感受裝置測定結果與真實(shí)EE間的符合程度不如先前研究報道的那么好。使用間接測熱法測定結果與各種運動(dòng)感受裝置測定結果間的相關(guān)系數分別為：CSA１r＝０．６２０CSA２r＝０３１６CSA３r＝０．６２０Ya－maxr＝０．４９３Caltracr＝０．５８０Kenz r＝０．５５３。Hen－delman  和Welk等 研究發(fā)現加速器對走步或慢跑估計較日常活動(dòng)更為準確。但是應該注意到各種加速器估計的結果相符合的程度較高。除了CSA３外，運動(dòng)感受裝置間的符合程度從r＝０．７８至r＝０．９３間變化不等。這表明這些儀器均有很好的可信性。他們傾向于測定相同的活動(dòng)（垂直加速運動(dòng)），但加速活動(dòng)的得分與測定的EE并不是緊密的相關(guān)。
    大多數研究報告利用活動(dòng)監測器收集的數據對EE進(jìn)行估計時(shí)，其準確性較差。Welk等發(fā)現在３種踏板速度的情況下從CSA收集數據計算的EE值間沒(méi)有顯著(zhù)差異。當對３種速度進(jìn)行平均后，CSA估計值與測定EE間相差在３．３％以?xún)取SA對EE有更為準確的估計。而Tritrac和Biotrainer 的準確性較差，分別高估至１１２％和１２８％。Biotrainer 的結果不夠有說(shuō)服力。Biotrainer 的輸出結果也有更多的規格限制，因而該儀器在區分活動(dòng)的細小差別時(shí)靈敏度會(huì )較低。這就導致估計的準確度偏差較大，尤其是在估計低強度的日常生活體力活動(dòng)時(shí)。Biotrainer 不能處理比較性的數據，但可將運動(dòng)分成許多更新的小單元進(jìn)行原始活動(dòng)的記錄而不是對總的能量消耗進(jìn)行估計。
    雖然在踏板條件下監測器都有一個(gè)高估能量消耗的趨勢，但在現場(chǎng)活動(dòng)的條件下監測器有明顯低估能量消耗的趨勢。當平均估計６種條件下的情況時(shí)，３種監測器的誤差范圍從３８％到４８％不等。各種監測器間低估的范圍相似，但各種活動(dòng)時(shí)的變化較小。監測器低估日常生活活動(dòng)時(shí)的能量消耗并不令人奇怪，因為大多數的日常生活活動(dòng)包括了大量的上肢活動(dòng)，這些活動(dòng)是無(wú)法被佩戴在腰部的監測器記錄下來(lái)的。使用現場(chǎng)條件下的預測方程式能夠在一定程度上提高估計的準確度，但建立一個(gè)總方程式是很困難的，因為自由生活活動(dòng)存在多種變化。
    除了這些限制外，加速器較其他多種體力活動(dòng)測定方法有多種的優(yōu)點(diǎn)。例如CSA這種裝置可儲存長(cháng)期的運動(dòng)數據，對已進(jìn)行的體力活動(dòng)的頻率、強度和時(shí)間可進(jìn)行客觀(guān)的分析。因此，這些儀器在回答有關(guān)體力活動(dòng)“方式”方面的問(wèn)題較為理想，而這些問(wèn)題不可能通過(guò)對EE的全身性測定如雙倍雙標水的方法而得到解答。而且，這些儀器體積較小便于攜帶的特性使得它們在評估體力活動(dòng)如監測心率方面較直接測定的方法更有優(yōu)勢。同時(shí)，在運動(dòng)的同時(shí)收集儲存體力活動(dòng)數據的能力減少了以后回顧性填寫(xiě)體力活動(dòng)調查表所帶來(lái)的一些主觀(guān)性的問(wèn)題。
    在估計自由活動(dòng)的人群時(shí)加速器的使用便受到了限制。最主要的是沒(méi)有一個(gè)單一的回歸方程能根據各種活動(dòng)的加速得分對EE作出準確的估計。身體的垂直加速活動(dòng)可準確的測定，但與測定的EE（METs ）間的關(guān)系則因體力活動(dòng)類(lèi)型的不同而異。大多數的錯誤是由于腰部佩戴的加速器不能監測手臂的活動(dòng)、以及推或拉東西、上坡時(shí)克服體重、爬樓梯等。另外，這些加速器對于游泳或其他的水上活動(dòng)是不適用的，而且對諸如騎車(chē)或舉重等活動(dòng)也是不適用的。在日常生活的條件下，活動(dòng)監測器和間接測熱法測定結果間存在較低的相關(guān)性（r＝０．４８－０．５９）。日常生活活動(dòng)的范圍越被壓縮，產(chǎn)生的相關(guān)性就越低，這種較低的相關(guān)性很可能是由于日常生活活動(dòng)的性質(zhì)決定的。
    總之，研究一致認為以現代加速器為基礎的活動(dòng)監測器提供了一個(gè)有用的測量體力活動(dòng)的工具，但預測能量消耗欠佳。雖然這些儀器在某些方面不同，如花費、技術(shù)、靈敏度和輸出方法等，但每種儀器均提供相似的信息。盡管在某些估計中誤差相當大，但這些監測器仍為行為研究和流行病學(xué)研究提供目前最客觀(guān)和細致的體力活動(dòng)結果記錄。因此，有必要深入研究確定誤差的來(lái)源，以及各種監測器產(chǎn)生個(gè)體差異的原因，還需要更好地研究如何更有效地使用這些監測器評估自由生活時(shí)的體力活動(dòng)。
    隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的不斷提高，中國居民的體力活動(dòng)方式和水平均發(fā)生了較大變化，如何正確評價(jià)并科學(xué)指導人們的體力活動(dòng)值得研究。

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