人体活动时能量消耗的研究进展*

方春露 魏 源



人体活动时能量消耗的研究进展*

方春露1魏 源2

(广州体育学院1.研究生部；2.科学实验室，广东 广州 510000)

从早期能量消耗概念的界定到各种身体活动方式能量消耗的精准测量，客观测量仪经历了漫长的更新过程。采用文献资料法从以下几方面综述人体活动能量消耗的研究进展：（1）能量消耗的测量手段；（2）对戴于人体不同部位的能量消耗测量仪进行测量的效、信度检验；（3）人体不同活动方式能量消耗的共性和个性特征；（4）人体活动能量消耗编码表。此进行的归纳与综述为我们研究人体能量消耗提供了新的观点和思路，进而丰富和发展人体能量消耗生理学的理论模型。

人体活动；能量消耗；加速计；有氧供能百分比

能量既不会凭空产生，也不会任意消失。能量在物体之间可以相互传递，在表现方式上可以相互转换，化学能能转换成机械能等。人体一切生命活动均需要能量来维持，包括日常生活学习、体育锻炼。人体活动的本质就是动作行为和能量代谢，动作行为既包括人体内在物质的微观运动，又包括人体外在的宏观活动。能量代谢是动作的内在根源。1986年，意大利生理学家DiPrampero首次提出了人体能量消耗（Energy Cost）这个概念[1]，人体为了维持其基础代谢、满足食物特殊动力作用和各种体力活动而消耗体内能量。众多学者对人体具体的活动方式及其所需要消耗的能量进行了大量而又深入地研究。

1 能量消耗的测量手段

20世纪初，研究者常用行为观察法、问卷调查法，对受试者进行观察或是提问，根据受试者的行为和回答从而推算人体的能量消耗，这整个过程系统误差极大，推导出的数据效度和信度不高，不能客观的反映人体的机能水平。

目前，社会高速发展，高科技产品日益更新，不同型号的人体能量消耗测试仪也随着产生。各学科学者的科研方法层出不穷，人体能量消耗的客观测量法逐渐被科研工作者广泛运用，其测量方法主要包括：直接热量测定法 (direct calorimetry)、间接热量测定法 (indirect calorimetry)、双标水法 (doubly labeled water,DLW)、运动传感器。

1.1 直接热量测定法、间接热量测定法、双标水法

直接热量测定法[2]是指根据能量守恒，通过测量身体向外界环境散发的热量从而计算人体内所耗能量的方法，此为公认的、较准确的能量消耗的测量法，但由于测试设备的设计、其构造的复杂性，未能广泛地推广及应用。间接热量测定法[2]是指通过测量人体运动过程中的气体交换率，进而预测身体所消耗的能量。其使用的装置体积较大，仅位于实验室进行有限的活动测量与研究分析，在日常生活中，未能对体力活动进行测量与评价。随着生物化学学科的发展，20世纪80年代，人们提炼了双标水法，是[2]以稳定的同位素标记的 H2O，跟踪稳定同位素，通过稳定性元素2H标记水中的H，用重氧18O标记水中和二氧化碳中的O ,利用元素守恒定律计算机体的能量代谢量，有研究表明其精确度为2 %～8 % ,准确度为1%～3%[3]，曾被称为“金标准”的测试手段。但测试价格昂贵，仅能反应总能耗，从而双标水法未能广泛运用。

1.2 运动传感器

运动传感器主要包括计步器 (pedometer) 和加速计(accelerometer)。计步器由于其体积较小、价格较便宜，仅能计算步频和步幅，无法显示运动强度、运动量、运动方式，而且不能感应身体无明显位移的身体活动，故只运用于评估简单的身体活动的能量消耗。加速计主要包括电容加速计、电压加速计以及电阻加速计3种类型。已有研究表明：早期的电压加速度计仅能跟踪动态变化，运用现代的固态技术和计算机数字处理的过滤技术可以测定静态加速度和评估身体姿势[4]。从技术含量的角度来说，新出产的加速度计内在感应结构日益优化，采用集成芯片，大大提高了能量监控的信度和准确度。通常加速传感器联合HR（如Actiheart）监测人体的能耗。加速度计通常有单轴、双轴和三轴3种型号，三轴加速度计不仅测试较为准确，还型号、功能多样，如RT3 (Stayhealthy,Inc.)、且AMP 331(Dynastream Innovations, Inc.)三轴加速计能够清晰地分辨出身体静止和活动两种状态所消耗的能量.TracmorD(DirectLife,Philips Research, Eindhoven,The Netherlans )三轴加速计设计时还注意被佩戴的舒适性。SenseWear Aemband ( BodyMedia Inc.)主要测量睡眠期间的能量消耗。Actical (Mini Metter Co.,Inc)可运用于各个年龄段的人群，既可测能耗，又可统计步频、步幅。TRITRAC - 3D是一款三维加速计，可同时记载人体三维空间（冠状面、矢状面以及水平面）的数据，能具体显示身体活动的方式、运动量、运动强度，较为精准地评估能量消耗量。ActiGraph 加速度计产于美国 Actigraph 公司，其中 GT3X、GT1M 、GT3X+型号已被广泛应用，在芬兰儿童身体活动研究中，Syväoja[5]等人运用 GT3X研究了静态行为和学习成绩的相关性。在欧洲青年人心血管研究中，Ried-Larsen[6]等人使用 GT3X 探究人体活动强度和亚临床动脉粥样硬化的相关系数。在澳大利，Gregory 和 Richard[7]等人通过GT3X 监控中等强度以上的身体活动。Kwon[8]等人运用GT3X+加速度计测量身体活动，分析不同人群肥胖的原因。国内，朱琳、陈佩杰[9]使用 GT3X+ 监测广州高中生日常身体活动情况。另外CALTRAC、CSA在科研中也被广泛使用。

2 能量消耗测量仪戴于人体不同部位测量的效、信度检验

不同学者进行课题研究中，对受试者佩戴能量消耗测量仪的部位有所不同。其多数佩戴于人体右上臂外侧、右侧臀部上方、右大腿外侧、右膝盖外侧。赵壮壮、陈培友、邱悦雯[10]运用Live Pod LP2对人体运动中能量消耗测量仪被戴于不同部位的测试数据的信度和效度进行检验，Live Pod LP2属于国内生产的新型加速度传感器，是以3轴加速度MEMS传感器为技术基础，运用智能识别模型与能量消耗模型进行测试。赵壮壮、陈培友、邱悦雯[10]选择26名自愿受试者，将Live Pod LP2佩戴于人体4个不同部位，在4km/h、6km/h、8km/h速度下进行运动。并计算ICC值（0.978—0.997）；运用统计学知识（相关分析、配对样本T检验、Bland-Altman分析法）对测量数据进行分析，由表1、表2，可知：被佩戴于在右侧臀部上方，且慢跑速度（4km/h）水平下Live Pod LP2的测量效度水平最高。

表1 本研究不同速度水平LivePodLP2 ICC一览表

右上臂外侧右侧臀部上方右大腿外侧右膝盖外侧 4km/h0.985**0.978**0.987**0.978** 6km/h0.996**0.996**0.993**0.990** 8km/h0.983**0.997**0.992**0.981**

注：＊代表Ｐ＜0.05，＊＊代表Ｐ＜0.01

表2 不同速度LivePodLP2均值、气体代谢分析仪与LivePod2均差及相关系数一览表

气体代谢分析仪LivePodLP2 右上臂外侧右侧臀部上方右大腿外侧右膝盖外侧 平均值(kcals)4km/h4.2(4.0,4.4）4.3（3.8,4.7)4.4（4.0,4.7)3.8（3.4,4.2)3.8（3.5,4.2) 6km/h5.6(5.3,6.0)5.7（5.1,6.1)5.8（5.4,6.1)4.2（3.7,4.7)4.0（3.6,4.4) 8km/h6.6(6.0,7.3)6.7（5.9,7.2)8.0（7.4,8.6)6.6（6.0,7.2)5.2（4.8,5.6) 均差(kcals)4km/h —0.03(-0.3,0.2)—0.1(-0.3,0.06)0.4(0.04,0.7)0.3(0.07,0.6) 6km/h 0.03(-0.3,0.3)—0.1(-0.3,0.1)1.3(0.9,1.8)1.6(1.1,2.0) 8km/h 0.09(-0.4,0.6)—1.0(-1.0,-0.9)0.01(-0.5,0.5)1.40(0.9,1.9) 相关系数4km/h 0.72**0.71**0.41*0.61** 6km/h 0.71**0.8**0.45*0.4* 8km/h 0.61**0.74**0.58**0.60**

注：均差值为MAXII测量值与LP2测量值之差，均值和均差以mean＆９５％置信区间形式表示。

3 不同运动方式能量消耗的共性和个性特征

人体三大供能系统：磷酸原系统、乳酸能系统、有氧氧化系统。这三大系统相互作用共同维持人体的一切生命活动，磷酸原系统由ATP和CP组成，仅能在10s内以最大功率输出供能，总供能少。乳酸能系统是[1]指糖原或葡萄糖在细胞浆内无氧分解生成乳酸,释放能量合成ATP，以29.3J/kg.s的最大输出功率,为机体持续约33s的供能。有氧氧化系统是指[1]体内糖、脂肪和蛋白质按一定的生理顺序在细胞内彻底分解成CO2和H2O,释放大量能量，合成ATP为机体供能。三大供能系统的在供能过程中所占的比例是随着身体活动强度和活动时间的变化而改变的。1970年，Astrand等［11］人对人体的三大供能系统进行了研究，首次提出了有氧供能百分比［12，13］：有氧供能量占三大供能系统总供能量的百分比被称为有氧供能百分比。随后，不少的运动生理学和运动训练学专著中对这一概念进行了阐述，期刊论文也有所论述。黎涌明[14]分析了不同运动方式（跑、骑、游、划等）中，有氧供能百分比与全力运动的最大持续运动时间的关系，把实验测量的数据经统计分析求得了其回归方程y=22.404×㏑（x）+45.176（R2=0.9334），y表示有氧供能百分比，x代表全力运动的最大持续运动时间。黎涌明研究所得的回归方程与其他学者所论证的方程存在差异，这与不同的运动方式和受试者肌肉不同的训练水平（快、慢肌百分比）有直接的关系，并且受能量代谢计算方法的影响。黎涌明[14]并且还对不同类型的人员（静水皮艇国家级运动员、静水划艇国家级运动员、跑步运动员、业余功率自行车骑者和业余曲柄手摇功率仪手摇者）进行了4min全力运动测试，并运用Beneke等人所提议的能量计算方法［１5，１6］对能量消耗进行了计算。

图 1 不同运动方式4min全力运动有氧供能百分比[14]

如图1，皮艇和划艇运动中动员的肌肉群快、慢肌比例相似，则有氧供能百分比相当。跑步运动中有氧供能百分比较之略高（已有大量文献论述［17］：普通人群下肢慢肌比例高，上肢快肌比例高，皮艇、划艇运动员上肢肌肉中慢肌比例明显高于普通人群，跑步运动员下肢肌肉慢肌百分比显著高于普通人群）。业余功率自行车骑车运动过程中有氧供能百分比明显高于业余曲柄手摇功率仪手摇运动过程中的有氧供能百分比。从这五种运动方式的能量代谢中既可以看出共性，又可以得知个性特征。在运动中，募集的肌肉运动单位量相似，所处的训练水平相似，且主要以大肌肉群参与，其有氧供能百分比与最大持续运动时间两者之间有可求得的一定指数关系；不同的肌肉群有其不同的最大乳酸稳态，需采用多级测试方法获得乳酸阈。

4 人体活动能量消耗编码表

经过科学家以缜密的思维对人体能量消耗进行研究验证，运用相关知识进行归纳与整合，汇编了较为全面的人体活动能量消耗编码表，其中含有人体各种活动方式及其所对应的代谢当量值。数据来自于美国多项高水平的科研成果。在1993 年，第一版人体活动能量消耗编码表产生［18］，其中含有 19 个大类及 477 个具体人体活动项目。在2000 年，第二版问世［19］，其增设了“自愿者活动”和“宗教活动”两个大类，即形成了现有的 21 大类，如表3 ，将身体活动细分到605 个项目，并对其中的数据进行了验证与更新。2011 年 4 月，最新版的体力活动能量消耗编码表［19］被刊登于Medicine ＆ Science in Sports＆ Exercise 杂志，由605个身体活动项目增设到了821个项目，并通过测量与论证对数据重新进行了整理与更新。更有突破意义的是，新版的体力活动能量消耗编码表还开通了网络资源(:https://sites.Google.com/site/compendiumof physical activities )，在该网站上涵盖大量信息，既能够查阅体力活动的所属类别和具体的项目信息( 包括活动类别编码、身体活动的具体说明、能量消耗的数值以及强度 MET 值)，又能更细地了解到哪些MET值是测量所得、免费下载如何测量等方面的相关文献，并且保留有相关的科研成果，经审核均可上传该网站，以便增补或修改体力活动能量消耗编码表，此为制定运动处方提供理论参考，力求全球化应用，这是之前版本体力活动能量消耗编码表无法比拟的。

表3 2011 体力活动能量消耗编码表(摘录)

编码分类代谢当量体力活动 (MET) 01003骑车14.0骑车，山地，上坡，吃力 01020骑车6.8骑车，16.1 ～ 19.2 km / h，休闲、缓慢，轻松 02052体能锻炼5.0抗阻( 负重) 运动，蹲起，慢速或爆发性练习 03010舞蹈5.0芭蕾，现代舞或爵士舞，一般，练习或课程 04040钓鱼打猎3.5钓鱼，在岸边，站位( Taylor 编码: 660) 05042家务劳动2.5刷碗，从桌上收拾盘子，步行，轻松 06144家庭维修3.0维修用具 07020非活动状态1.3静坐，看电视 08025园艺3.5清洁小灌木丛，清理花园，有些吃力 09106杂项3.5观光 / 旅行 / 渡假( 包括步行) 10120乐器演奏2.0吉他，古典，民谣，坐位 11580职业活动1.5坐位，轻松( 办公室、实验室、小物件修理、阅读，伏案工作) 12020跑步7.0 慢跑，一般 13009生活自理1.8坐便，不包括站位和蹲位 14010性生活2.8主动，吃力 15670运动3.0太极，气功，一般 16010交通往来2.5驾驶汽车或卡车( 不带拖车) 17200步行4.34.5 ～ 5.1 km / h，水平硬地面，快速，以锻炼为目的 18255水上活动4.8游泳，仰泳，休闲 19030冬季活动7.0溜冰，一般( Taylor 编码: 360) 20000宗教活动1.3坐在教堂里，进行仪式、参加典礼、静坐 21000志愿者活动1.5坐位，会议，一般，和 / 或包括说话

5 小结

能量消耗作为人体生理学领域内的重要研究主题，与人的身体活动密切相关。能量消耗的客观测量仪的不断更新促进了科研工作的快速发展，对人体能耗的测试部位进行了深入地对比分析，测试仪被佩戴于在右侧臀部上方，且运动强度较低的情况下，能耗测试仪的测量效度检验水平最高。总结了人体不同的运动方式，在快、慢肌比例相近、训练水平相似的前提下，有氧供能百分比与全力运动的最大持续运动时间具有共同的指数关系，肌肉有各自不同的最大乳酸稳态，需采用多级测试法得知个体乳酸阈。对人体日常活动的代谢当量进行了大汇编，为了解人体生命活动和健身指导提供一定意义上的理论参考。纵观目前的研究成果，人体不同活动方式能量消耗的机理还有待深层次的探究，理论体系有待完善。

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Research Progress of Energy Expenditure of Human Activities

FANG Chun-lu, etal.

( Guangzhou sports University, Guangzhou 510000, Guangdong, China)

Using the literature material law to summarize the progress of studying on the energy expenditure of the human activity from the following aspects:1) Means of measurement of energy expenditure;2) Testing the validity and reliability of the measurement instrument of energy expenditure worn on different parts of the body measured ;3) Commonality and individuality characteristic of energy expenditure in the different forms of activities；4）Physical activity energy expenditure coding table. This summary and summarized for us provide new perspectives and idea to study energy expenditure of humans, and then enriching and developing theoretical model of human physiology on energy expenditure.

physical activity; energy expenditure; accelerometer; aerobic power percentage

国家科技部科研院所专项资金项目（高准确度运动能量消耗模型构建及样机研制）支持（编号：2013EG145136）。

方春露（1989-），湖南人，研究生，研究方向：体育教育训练学。