运用计步器测量步行之研究

戴剑松　李　靖　顾忠科　孙　飙

摘要：目的：验证计步器对步行的测量信度和效度。方法：研究对象为在校大学生共计30名（男性15名，女性15名）。受试者身体右侧平肚脐锁骨中线处和腋前线交点处分别佩带计步器，在跑台上分别以2 mph、3 mph、4 mph、5 mph、6 mph5种速度步行800 m，记录计步器计数和实际步数，通过间接热量法测试步行代谢情况。结果：步行速度为2 mph时，计步器精确性下降，放置于不同部位的两个计步器计数与实际步数误差率分别为17.31%、24.3%；当步速大于3 mph时，误差率明显下降，且不同部位计数无差异；5种速度下步数、步频、步幅差异有统计学意义，但从4 mph增加至5 mph时，步数、步幅变化无统计学意义，形态指标与步数相关系数最大出现在速度为4 mph时；在完成同样距离步行时，不同步速下总能量消耗不同，慢跑总耗能大于步行。结论：以不低于正常步速行走时，计步器可以精确记录步数，放置位置不同对于计步器计数无明显影响。在完成相同距离步行时，随着速度加快，步幅加大，计步器计数减少，实际能量消耗增加。

关键词：计步器；步行；能量消耗

中图分类号：G804.61文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)02-0219-04

现代电子计步器是一种简便实用的体力活动测量技术，其主要部件是一个水平的弹簧悬挂杠杆，当髋关节产生垂直加速度（步行时，髋关节上下运动），杠杆发生偏转。每一次杠杆的偏转都让闭合电路发生接通，并使得记数累加。由于计步器在设计上主要是感应垂直加速度，因此理论上它对步行活动（走或跑）最为敏感。深入地研究计步器在测量步行的价值对于人们增加对步行的了解，科学制订步行运动处方、运用计步器指导健身走具有重要意义，因为步行是最普及，最基础，最重要的体力活动之一。本研究即运用计步器深入研究计步器测量不同步速行走的可信度，步数与身体形态指标、步行特征、能量代谢之间的关系，探讨计步器对于步行的指导意义。

1研究对象与方法

1.1研究对象随机选取南京体育学院运动人体科学专业、社会体育专业大学生各15名，共计30名，其中男性15名，女性15名，平均年龄(20.43±0.97)岁。

1.2研究方法

1.2.1形态测量采用标准方法测试身高、体重、腰围、臀围、下肢长（髂前上棘至地面距离）、上臂部皮褶厚度、肩胛部皮褶厚度，计算BMI指数（体重/身高2）、WHR指数（腰围/臀围）、体脂率。体脂率计算采用如下方法［1］：

1） 计算体密度D

男子：Ｄ＝1.0913－0.0016×（上臂皮褶厚度＋肩胛皮褶厚度）；

女子：Ｄ＝1.0897－0.00133×（上臂皮褶厚度＋肩胛皮褶厚度）；

2） 计算体脂率（%）

体脂率（%）＝（4.570/D－4.142）×100；

1.2.2步行测试在实验室跑台上进行步行测试，跑台为德国h/p/cosmos公司产Mercury 4.0型专业跑台，分别设定步行速度为2、3、4、5、6 mph（英里/小时），受试者在跑台上以该5种速度完成800 m步行或慢跑。2mph代表慢走，3mph代表正常步速行走，4mph代表快走，5mph代表慢跑，6mph代表中速跑，本研究采用的速度与国外同类研究一致［5,6,8,11］。计步器采用日本Yamax公司产Digi-Walker200型计步器，将两个计步器固定在受试者身体右侧平肚脐锁骨中线处和腋前线交点处。首先让受试者适应跑台上步行，然后正式测试，要求受试者在测试过程中以尽可能自然、放松、均匀的步态行走。测试前将计步器回零，完成800米步行后，跑台自动停机，受试者停止身体移动，记录此时计步器计数，并填写主观疲劳感觉（RPE量表）。由3名工作人员全程记录每名受试者在完成5种速度步行时的实际步数，记录保持独立，经分析，3名工作人员计数基本一致，彼此误差极小。根据以下公式计算下列指标：

1） 计步器误差率（%）＝（实际步数－计步器计数）/实际步数×100%；

2） 步幅＝步行距离/平均实际步数；

3） 步频＝平均实际步数/步行时间；

采用美国产MAX-Ⅱ气体代谢系统测量步行能量消耗，步行时佩带一密闭面罩，通过连接面罩的管道收集受试者吸入和呼出气体，并通过该系统进行气体分析，设定系统采样频率为每10秒采样一次。面罩佩带以舒适为度。输出结果包括：摄氧量（VO₂）、二氧化碳排出量（VCO₂）、呼吸商（RQ）、心率（HR）、单位时间单位体重摄氧量（ml/kg/min）、总热量消耗（kcal）等。根据体重和每种速度相应步行时间推算单位时间单位体重热量消耗（kcal/kg/min）、代谢当量（METs）。在每次正式测试前，首先以相应测试速度步行2分钟，达到热身和提高代谢水平、心率的目的，目的是尽可能保证正式测试时心肺功能处于稳态。每一速度测试后休息间隔为10～15 min，在完成2 mph、3 mph、4 mph三个速度测试后即更换另一名受试者完成同样测试，再换前者完成测试5 mph和6 mph的测试，避免疲劳影响测试结果。

1.3统计方法数据统计采用SAS8.0统计软件，采用均数和标准差（x±s）对各变量进行描述。采用单因素方差分析比较5种速度下，计步器计数、实际步数、步幅、步频和代谢水平，采用相关分析比较身体形态指标与五种速度步行时步数相关系数，采用T检验比较不同性别间各指标差异。

2结果

2.1研究对象基本情况

30人全部完成测试。男、女性身体形态指标见表1，男女间各指标差异均有统计学意义，男性身高、体重、下肢长均大于女性，女性体脂率高于男性，男性下肢较长可能造成其相对步幅较大。

2.2计步器记录步行的分析在以2mph速度步行时，计步器计数误差较大（表2），且放置于不同部位计数差异有统计学意义（P＜0.05）。当步行速度达到3mph时，误差率明显降低，快走或慢跑时（速度大于4mph）误差率低于0.2%。3mph以上速度，不同部位计步器计数差异无统计学意义。

经单因素方差分析，无论男性或女性，5种速度下计步器计数、实际步数、步幅、步频均有差异（P＜0.01）。经组间比较分析，4mph和5mph步行时，计步器计数、实际步数、步幅差异无显著性。经T检验，除4mph步行时，不同性别实际步数、步幅、步频差异有高度显著性外（P＜0.01），其余速度下，步行参数男女差异无显著性（表3）。

5种速度下，步数与身高、体重、下肢长负相关，与体脂率正相关，各相关系数最大值均出现在4mph情况下（表4）。

2.3步行代谢状况的分析经单因素方差分析，无论男性或女性，5种速度下VO2、VCO2、呼吸商、心率、热量消耗、METs、主观疲劳感觉差异均达到高度显著性（P＜0.01，表5）。

3讨论

3.1计步器测量步行研究由于计步器在设计上主要是感应垂直加速度，因此理论上它对步行活动（走或跑）最为敏感。Bassett，Crouter，Patrick，Schneider等［4,5,11］对市面上不同的计步器做了对比研究，发现不同计步器的敏感性有差异，其原因可能是不同计步器内部结构以及弹簧张力不同，其中日本Yamax公司生产的计步器被公认为最精确的计步器［5,11.12］。本研究即采用被广泛认为是最精确的Yamax公司产Digi-Walker200型计步器。多数研究表明当步行速度减慢时，计步器测量准确性下降，比如，Yamax计步器能感应的最小加速度范围是0.35-0.5个重力加速度，小于0.35个重力加速度的作用力可能无法被计步器感应［9］。本研究显示当步行速度较慢时（速度为2mph），计步器计数与实际步数误差较大，这与多数研究认为当步行速度小于2mph时计步器测量不甚精确一致［3-7］，Beets［10］对儿童的研究同样表明，当步速小于2mph时，计步器计数同样产生较大误差，说明慢速行走时计步器精确性下降主要是由于计步器无法感知此时的重力加速度，而与研究对象无关。因此，计步器可能不太适合测量行走缓慢或步态失调老年人的体力活动。当达到正常步速行走时，本研究显示计步器计数精确度提高，误差为2%～5%，在快走情况下（速度大于4mph）误差小于0.2%，Bassett［4］、Crouter［5］的研究报道Yamax Digiwalker可以非常精确地记录从2mph到4mph的步数，本研究进一步表明即使速度超过4mph，在慢跑（5mph）和中速跑（6mph）情况下，计步器仍然精确记录步数，说明Yamax Digiwalker计步器对于正常步速、快走或慢跑的测量比较精确，在慢跑情况下，并没有因为髋关节上下运动幅度加剧而导致计数不准。

Schutz［13］认为虽然计步器测量慢速步行精确度下降，但对普通人而言其精度仍然是可靠的，因为人们日常活动中的步行速度很少低于2mph，但对于速度较慢的散步（速度小于2mph），计步器可能低估了实际步数。Bassett［4］曾报道佩带的部位不同对计步器计数有影响，Shepherd［14］的研究则认为计步器对于肥胖人群的测量精确性下降，其原因可能是腹型肥胖可能干扰了读数的精确性，也有可能是放置的位置不正确或缓冲了垂直方向的加速度。本研究显示除2mph速度步行，放置位置不同对计数有影响外，速度大于2mph的步行，佩带部位不同对计数没有影响。Swarts［6］的研究同样表明当步行速度超过3mph时，计步器在测量不同BMI指数人群（正常体重、超重、肥胖）以及放置于腰间不同位置（腋前线，腋中线，腋后线）时，其测试准确性没有差异。本研究同样证实，对普通人而言，只要以正常步速行走，将计步器放置在腰间任何位置对计数精确性不会产生明显影响。即便在散步时（速度小于2mph），由于计步器无法精确感应髋关节的垂直加速度，无论放置在何位置，其计数均不准确。某些现代计步器假如提供步幅，那么还可以计算步行距离。有些计步器通过输入体重等个人信息，还可以计算能量消耗，但一般认为［17］，计步器所能提供的信息中，最准确的仍然是步数，用计步器估算步行距离、能量消耗显然存在误差，Crouter［5］的研究也认为计步器输出结果中最准确的是步数，其次是步行距离，准确性最差的是推算的能量消耗。

随着步行速度加快，步幅加大，在完成同样距离步行时，计步器计数减少，经统计分析5种速度下步数、步频、步幅差异有统计学意义，经组间多重比较，步行速度从4mph增加至5mph时，计步器计数、步幅变化无统计学意义，说明由快走过渡为慢跑时，只是通过增加步频来实现速度加快，步幅变化不大。从不同性别比较来看，男性虽然下肢普遍比女性长，但除快走情况下（速度为4mph），男女步数、步幅、步频无差异，说明正常行走或慢跑，步数、步频、步幅与下肢长短关系不密切，但在快走情况下下肢长与步数、步幅、步频关系比较密切，表4中显示步数与身高、体重、下肢长相关系数最大值出现在快走时证明了这一点，Welk［8］的研究也表明形态指标与步数相关系数最大出现在速度为4mph时，说明快走时，身材高矮对步数影响较大。男性由于下肢长，步幅较大，因此以4mph速度步行时，步频相比女性慢，女性则依靠增加步频来保持快走时的速度。

3.2步行能量消耗从表5显示的步行代谢情况显示，随着速度加快，心率、摄氧量、呼吸商、单位能耗均逐渐增加，表明心肺功能随着运动强度增加逐步提高。5种速度下，完成800米稳态匀速步行总能量消耗差异有统计学意义，多重比较显示各组间能量消耗同样有统计学意义，其中3mph步行能量消耗最少，可能与正常步行是耗能最少，最经济的活动有关，2mph步行由于速度较慢，显著延长了完成同样距离步行的时间，能量消耗相对3mph时是增加的，由快走（4mph）到慢跑（5mph），总能量消耗增加最明显，其原因可能是慢跑是一种全身运动，全身肌肉动员较多，因此能量消耗较多，快走则属于以下肢为主的运动有关。本研究提示，在完成相同距离步行时，运动强度（速度）不同，总热量消耗不完全一致，热量消耗不仅与单位能耗有关，运动时间也是重要的因素，具体而言，慢跑能量消耗大于快走，虽然快步走以其安全性、实用性常常被推荐为中老年人最佳运动方式之一，但仍不可忽视慢跑能量消耗较多这一特点，尤其是在减肥运动中，慢跑比快走消耗了更多热量。MET也是评价代谢水平的重要指标，按照与美国疾控中心（CDC）［15］制定的标准，小于3METs是低强度活动，3～6是中等强度活动，大于6METs是大强度活动，根据此标准，2mph、3mph基本属于低强度活动，4mph属于中等强度活动，5mph、6mph属于大强度活动。CDC制定的主观疲劳感觉（RPE）［16］标准是，小于12为低强度活动，12～14为中等强度活动，大于14为大强度活动，根据该标准，2mph、3mph、4mph、5mph均属于低强度活动，6mph属于中等强度活动，上述结果说明代谢水平与主观疲劳感觉不完全一致，因此，在衡量步行强度时，应当注意将客观指标与主观感觉结合分析。

4总结

计步器无法精确记录速度小于2mph的步行，但可以非常精确地记录从3mph至6mph时的步数。佩带位置不同对计步器计数影响不大。在完成相同距离步行时，随着速度加快，步幅加大，步频加快，计步器计数减少，实际能量消耗增加。提示若以正常步速行走或快走、慢跑时，能够精确地反映实际步数，如果实施通过步行增加体力活动的干预措施，计步器具有潜在的应用价值。

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