学术报告厅

Characteris tics  o f Different  Mo tio n Sens o rs and Its Us e in Meas uring  Energ y  Expenditure
    赵文华综述（中国疾病预防控制中心，北京１０００５０）
    摘要：计步器和加速器为基础的体力活动监测器是目前快速而准确地评估体力活动能量消耗的有效的新方法。这些仪器在科学研究和现场调查中被广泛地采用。但这些仪器型号、功能、结构特点、使用范围及收集数据的准确性方面不尽相同。本文将对目前普遍使用的各种计步器和加速器为基础的体力活动监测器的优缺点进行讨论，为将来的调查研究提供参考。
    关键词：运动感受器；能量消耗
    大量研究表明适量的体力活动有助于维持机体健康，并对多种慢性病，如肥胖、糖尿病、冠心病等的发生有一定的预防作用。但如何准确快捷地评估体力活动中的能量消耗一直是人们关注的问题。
    评估体力活动和能量消耗的方法有很多，如问卷调查、回访、测定能量消耗、观察和时间运动分析记录、对活动生理反应的记录、双标水法等。但是，这些调查大多数主要集中于高强度的体力活动，而且许多研究依赖受试者的自我报告数据估计能量消耗情况。自我报告的数据易产生误差，有其固有的局限性。随着科学技术的发展，便携式运动测定装置的发展为体力活动和能量消耗的测定提供了客观的方法。但在不同的条件下，这些运动测定装置各有其优缺点。本文就目前国内外流行的几种运动测定仪器，包括计步器和加速器为基础的运动感受装置的情况进行介绍，以便于人们了解这些运动测定装置对评估体力活动和能量消耗时的作用。
１计步器在评估体力活动中的应用
    计步器是可进行现场研究的一种廉价的工具。这种仪器具有花费少、体积较小、不会对受试者产生不便、反馈信息速度快等特点。计步器的原理是对身体的垂直加速做出反应。当垂直加速超过特定域值时，计步器内部的一个引发机制便记录一步。早期研究报道称计步器在估计步数及走步距离时可信性较差和误差较大。这种错误可能是由于早期的这些仪器存在技术上的限制所致。由于技术进步和质量控制手段的发展使得计步器的可信性和准确性得到了很大的改善。Bassett等报道大多数计步器测定结果是可接受的，特别是Yamax公司的Yamax Digi－Walker 计步器，Digi－Walker 型计步器测定各种步速的步数和走步距离是很准确的。在现场研究中，走４．８８km的小路，Digi－Walker 计步器记录的步数和距离与真实的值相差在１％以内。有几位研究者最近对Digi－Walker 计步器与其它的装置进行了比较。E－ston及其同事等报道儿童无规律的低强度运动中步数与记录的VO２测定结果间的相关性为０．９２。在成年人中观察到Tritrac和一种Digi－Walker 计步器的７天监测结果间的相关性为０．７６。这两项研究为Digi－Walker 计步器在评估日常体力活动的客观性方面提供了主要的证据。
    Welk等评估了Digi－Walker 计步器在确定人群体力活动方面的有效性。他们对３１名成年受试者（男１７人，女１４人）进行了研究，结果表明计步器对于记录每天的步数是很有用的。该研究表明Digi－Walker 计步器在控制良好的环境下测定步行或跑步１英里（１．６１km）需要大约１３００～２０００步。与慢跑或跑步相比，走步需要较多的步数。不同个体不同步速时，步数的变化与人体测量变量有关，这些结果与Bassett等的研究结果是一致的 。两项研究均表明在不同表面走步或慢跑的步数没有差异，同时也表明Digi－Walker 计步器对于较慢的速度可信性较差。
    Digi－Walker 计步器记录的步数数据对于活动水平的定量提供了有用的标准。例如，使用特定步速（平均每英里１９３５步）时的步数记录数据，推断约３８００－４０００步可以满足目前的指导原则所规定的３０min中等强度活动或步行２英里或４mph的步行。但如果是在一整天内进行监测，这个数字则不能用来对一个活跃的人进行评估分类。因为大多数人通过正常的日常活动可累计大量的步数，而这些活动可能是低强度的，并不能提供有说服力的健康益处。因此，如果用Digi－Walker 计步器评估日常活动，那么每日要步行的目标应该规定的高一些。
    日本进行的２项研究中使用步行１００００步作为干预研究的行为目标。但这个数字是如何被确定的并不清楚。尽管缺乏明显的试验证据，这个原则还是被多种活动所推崇，并作为一种可实现的行为目标被广泛的接受。超过１００００步的活动似乎的确可达到公共健康活动的指导原则（如超过３０min的中等强度活动和或２０min的剧烈活动），但在分类上有很大的变动性。例如，Welk等的试验数据表明一天活动大于４５min者达到１００００步的占７７％；若以３０min为标准，百分比基本相同，为７３％；相反，每天活动３０min以下的自我监测者有２９％仍在１００００步以上。
    计步器在评估中等强度运动时的误差较评估高强度运动时要小。例如在相同距离下，跑比走的步数要少。同样，计步器也低估了其它一些活动的水平，如在健康中心进行的剧烈有氧运动（如室内雪橇、楼梯踏步器和骑自行车）的水平。因此，对计步器的这些数据进行解释的时候，一定要考虑到活动强度类型的差异。计步数据的变化也可能是由于职业工作或日常活动的差异所致。对职业活动量大的人群进行的研究报道发现工作的成年人（n＝４９３）的平均步数从６７００至１１９００不等。按职业状况划分，不活动职业妇女和男性的平均步数分别为６７００和７３００。重体力活动中妇女和男性的平均步数分别为９８００和１０８００；当数据按休闲活动水平进行划分时，进行“健康训练”的人的平均步数为１０２００－１０５００，与职业活动无关。
    计步器的局限性：如同其它所有的评估方法一样，对于计步器的适用性也有一定的限制。一方面，计步器对速度的变化不敏感。在通过相同距离内，走比跑需要更多的步数，这很难通过计步器的数据反应出体力活动的变化；另一个方面记步器不能按时间对运动进行分割。没有时间方面的指标，就不可能确定所进行活动的时间和强度。因为一个人在正常的日常生活活动中可累计大量的步数，所以很难确定需要多少步数来满足现行的体力活动指标。在日本进行的两项研究中将每日１００００步作为一个目标，但这些研究并没有确定是否这些指标对其它人群也是适用的。
    Bassett，等的研究也表明Yamax SW－７０１计步器高估了步行时的能量消耗，范围从２．９１－３．３７mph（７８－１００mmin）不等，但却低估了大多数其他活动的能量消耗约１MET。对多种家务活动和庭院工作消耗能量的粗略估计值接近１MET。因此，对于那些很少或没有机体垂直加速运动的活动如熨烫衣服、做饭、洗盘子等，其估计的能量消耗不会超过静息代谢率（RMR）。尽管计步器对评估每日体力活动的方式提供了很好的前景，但有必要根据不同的年龄、性别和职业对每日步行的模式进行区分。计步器对于记录每天的步数是很有用的，然而因为计步器并不包含收集时间样本的能力，所以很难将日常正常生活中增加的步数与中等程度或高强度活动中增加的步数区分。以使用时间为基础的活动监测仪在监测每日的步数方式上可能更为有用，因此在使用计步器在评估日常体力活动和能量消耗时应给予注意。
２加速器在评估体力活动中的应用
    以加速器为基础的活动监测器是另外一种测定体力活动的方法。它也是对身体的垂直加速做出反应，以加速器为基础的运动敏感装置（如Tritrac，Com－puter  Science and Applications Inc．monitor ）已变成了一种非常流行的评估仪器，许多监测仪器的效果在实验室和现场情况下已得到证实。
    使用加速器的益处在于它们可提供持续活动的直接、客观的指标。以加速器为基础的活动检测器为评估自由生活时的体力活动提供了前景。这些仪器可对受试者最低量体力活动的频率、强度和时间提供客观的记录。这些设备很小，易于使用，可对持续活动的整个过程提供客观的测定。这些仪器也具备间断性的时间记录和计算机下载能力等特点。这些特性使得它们更适合现场为基础的研究，或用于证实自己报告的体力活动测定结果的真实性。
    新式加速器为基础的活动监测仪器主要有：CSA（Computer  Science and Applications  monitor ）、Cal－trac、Tritrac、和Biotrainer 等。Tritrac具有三维性质，而CSA和Biotrainer 只是对单个的平面进行估计。先前的研究报道了Tritrac和它的前身一维的Caltrac间有很强的相关性（r＝０．８８）。在Tritrac和CSA及Biotrainer 间也有相似的报道，这表明尽管存在技术上和敏感性上的差异，但各种加速器为基础的装置可提供相似的信息。３种不同的监测器间有很强的一致的相关性。
    许多研究中使用Caltrac加速器，认为它是最适合接受的运动确证工具。但Caltrac加速器的不足在于它缺乏储存日后评估所需的连续每分钟的数据的能力，研究参与者可使用按钮，因而可改变结果。Kenz  Se－lect ２只相当于Caltrac的１３大小，可储存７d的数据，它有一个金属外壳可安全地关闭。CSA是７１６４型加速器，是一个较小的装置，可储存２２d的运动数据。CSA可佩带在腰部、腕部和踝部。
    Bassett等对９－７４岁的８１名受试者进行了研究。这８１名受试者来自６个不同的活动级别：庭院工作、家务活、工作、家庭护理、训练和休闲活动。１２人完成了全部２８种活动。受试者同时佩带３种加速器：CSA、Caltrac和Kenz  Select２和Yamax SW－７０１型子计步器。对于这４种运动感受装置在测定现场和实验室内中等强度体力活动时能量消耗（energy expendi－ture，EE）的准确性进行了评估。该研究发现在现场和实验室中，大多数运动感受仪器低估了日常活动的能量消耗；与其它仪器相比，CSA３的结果似乎是最正确的。２８种全部活动中所有方法测定结果的平均误差值（间接测热法减去装置测定值）为：CSA１０．９７METCSA２０．４７METCSA３０．０５METCaltrac０．８３METKenz ０．９６METYamax１．１２MET。
    CSA－１高估了步行时的能量消耗，范围从２．９１－３．３７mph（７８－１００mmin）不等，然而它们却低估了大多数其他活动的能量消耗约１MET，其结果与Ya －max SW－７０１计步器类似。
    Caltrac和Kenz 的回归方程是由一些通常活动如平地和斜坡上的走或跑、弯腰、摸地板等活动中推导出来的。这两种仪器对所有活动的EE低估０．８－１．０MET。研究表明Caltrac低估了较低强度活动的EE，但高估了较高强度活动的EE。其它一些研究均注意到它对一系列的速度存在高估的情况。当检测器被用于评估一定坡度的踏板走步时，它们存在显著的低估EE现象 。因此，大多数研究者建议用检测器解释EE的估计值时应予注意。尽管一些误差可能是由于检测器内在的局限性，但出现这样的结果也可能是由于各种检测器缺乏有效的特定人群为基础的回归方程。但这些仪器间的相关性非常高，r＝０．８８３，这表明他们对机体垂直加速活动的反应相似。但是，Cal－trac和Kenz 这两种装置均倾向于高估步行时的能量消耗，而低估大多数其他类型活动时的能量消耗。例如快步走路消耗能量为４．６８METs 时，Caltrac测定的能耗值为６．１９METs ，而Kenz 测定的能耗值为５．４２METs 。Bassett等研究中使用Caltrac测定的结果与Haymes 和Byrnes 、Bray等及Balogun等测定的结果相似，这些研究发现Caltrac对平地快步行走时的能量消耗高估了２５％～５０％。但是，这些装置却低估了大多数日常活动如清扫树叶、园林工作和家务活动时的能量消耗。使用Caltrac和Kenz 有一些优点。这些仪器可通过一个人的年龄、身高、体重和性别等信息并通过标准化的方程式对RMR作出快速的估计 。
    CSA２使用Freedson等估计的模型，也低估了２８种活动的EE。CSA２计算使用的回归方程是根据在踏板上走步（８０和１０７m·min－１）和踏板上慢跑（１６１m·min－１）推导出来的，而CSA３使用Hendelman等根据日常活动估计的回归方程式。
    运动感受装置测定结果与真实EE间的符合程度不如先前研究报道的那么好。使用间接测热法测定结果与各种运动感受装置测定结果间的相关系数分别为：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 研究发现加速器对走步或慢跑估计较日常活动更为准确。但是应该注意到各种加速器估计的结果相符合的程度较高。除了CSA３外，运动感受装置间的符合程度从r＝０．７８至r＝０．９３间变化不等。这表明这些仪器均有很好的可信性。他们倾向于测定相同的活动（垂直加速运动），但加速活动的得分与测定的EE并不是紧密的相关。
    大多数研究报告利用活动监测器收集的数据对EE进行估计时，其准确性较差。Welk等发现在３种踏板速度的情况下从CSA收集数据计算的EE值间没有显著差异。当对３种速度进行平均后，CSA估计值与测定EE间相差在３．３％以内。CSA对EE有更为准确的估计。而Tritrac和Biotrainer 的准确性较差，分别高估至１１２％和１２８％。Biotrainer 的结果不够有说服力。Biotrainer 的输出结果也有更多的规格限制，因而该仪器在区分活动的细小差别时灵敏度会较低。这就导致估计的准确度偏差较大，尤其是在估计低强度的日常生活体力活动时。Biotrainer 不能处理比较性的数据，但可将运动分成许多更新的小单元进行原始活动的记录而不是对总的能量消耗进行估计。
    虽然在踏板条件下监测器都有一个高估能量消耗的趋势，但在现场活动的条件下监测器有明显低估能量消耗的趋势。当平均估计６种条件下的情况时，３种监测器的误差范围从３８％到４８％不等。各种监测器间低估的范围相似，但各种活动时的变化较小。监测器低估日常生活活动时的能量消耗并不令人奇怪，因为大多数的日常生活活动包括了大量的上肢活动，这些活动是无法被佩戴在腰部的监测器记录下来的。使用现场条件下的预测方程式能够在一定程度上提高估计的准确度，但建立一个总方程式是很困难的，因为自由生活活动存在多种变化。
    除了这些限制外，加速器较其他多种体力活动测定方法有多种的优点。例如CSA这种装置可储存长期的运动数据，对已进行的体力活动的频率、强度和时间可进行客观的分析。因此，这些仪器在回答有关体力活动“方式”方面的问题较为理想，而这些问题不可能通过对EE的全身性测定如双倍双标水的方法而得到解答。而且，这些仪器体积较小便于携带的特性使得它们在评估体力活动如监测心率方面较直接测定的方法更有优势。同时，在运动的同时收集储存体力活动数据的能力减少了以后回顾性填写体力活动调查表所带来的一些主观性的问题。
    在估计自由活动的人群时加速器的使用便受到了限制。最主要的是没有一个单一的回归方程能根据各种活动的加速得分对EE作出准确的估计。身体的垂直加速活动可准确的测定，但与测定的EE（METs ）间的关系则因体力活动类型的不同而异。大多数的错误是由于腰部佩戴的加速器不能监测手臂的活动、以及推或拉东西、上坡时克服体重、爬楼梯等。另外，这些加速器对于游泳或其他的水上活动是不适用的，而且对诸如骑车或举重等活动也是不适用的。在日常生活的条件下，活动监测器和间接测热法测定结果间存在较低的相关性（r＝０．４８－０．５９）。日常生活活动的范围越被压缩，产生的相关性就越低，这种较低的相关性很可能是由于日常生活活动的性质决定的。
    总之，研究一致认为以现代加速器为基础的活动监测器提供了一个有用的测量体力活动的工具，但预测能量消耗欠佳。虽然这些仪器在某些方面不同，如花费、技术、灵敏度和输出方法等，但每种仪器均提供相似的信息。尽管在某些估计中误差相当大，但这些监测器仍为行为研究和流行病学研究提供目前最客观和细致的体力活动结果记录。因此，有必要深入研究确定误差的来源，以及各种监测器产生个体差异的原因，还需要更好地研究如何更有效地使用这些监测器评估自由生活时的体力活动。
    随着经济的发展和生活水平的不断提高，中国居民的体力活动方式和水平均发生了较大变化，如何正确评价并科学指导人们的体力活动值得研究。

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