运动传感器在肥胖运动干预管理中的研究与应用前景

汪纹闻，邹志春

随着生活水平的提高，人们由“吃不饱”转变为“吃不了”，更多高脂肪、高碳水化合物、低纤维素的食物进入人们日常生活，高能量食品的摄入已经司空见惯；由于生活方式和工作方式的改变、办公自动化水平的提高、日常生活的机械化、交通方式的便捷化以及城市化进程的加剧，均造成人们缺乏身体活动现象。由此可见，能量摄入增加和身体活动减少构成一组“增减”关系，能量平衡失衡是导致人们肥胖的重要原因。

1 肥胖人群体力活动水平研究的重要性

许多人认为“足不出户”是科技进步的象征，是舒适和现代化的代名词。其实不然，国内外研究结果均表明肥胖、糖尿病等代谢性疾病与体力活动不足密切相关，来自英国NHS（National Health Service）最新报告显示，英国成年人的健康比例在2011年下降至男性（34%）和女性（39%），而肥胖比例则分别由1993年13%的男性和16%的女性上升为2011年24%的男性和26%的女性[1]。2011年9月《联合国大会关于预防和控制非传染性疾病问题高级别会议的政治宣言》确认，亟需降低个人和人群受到不健康的饮食和缺乏锻炼的影响程度[2]以减少非传染性疾病给全球带来的负担和威胁；其中吸烟、身体活动不足、有害酒精使用和不健康的饮食构成了非传染性疾病的4个主要行为危险因素，而运动量不足人群的全死因风险会增加20%到30%[3]。一项长达 9年的纵向研究结果表明中国人有6.8%的死亡与体力活动不足有关，体力活动不足已成为中国人群死亡和多种慢性疾病发生发展的重要危险因素之一[4]。肥胖是罹患非传染性疾病的重大风险因素，随着身体质量指数的升高，非传染性疾病的患病风险也随之提高，与成年人相比，儿童期肥胖不仅会升高未来风险，造成成年期肥胖、早逝和残疾出现的几率更大[5]。

2 能量消耗、体力活动不足、肥胖三者之间的关系

人体每天的总能量消耗(Total energy expenditure, TEE)由基础能量消耗（Based energy expenditure，BEE）、与膳食相关能量消耗(Die-induced energy expenditure，DEE)、体力活动相关的能量消耗(Physical A ctivity-associated energy expenditure，PAEE)和生长发育能量消耗4部分组成。单位时间的基础能量消耗即为基础代谢率(Basical metabolic rate,BMR)，BMR占到总能量消耗的60%～70%；DEE与进食总热量无关，而食物种类有关；PAEE虽远远低于BMR，仅占到20%～30%，但是身体总能量消耗的最大可变因素，也是身体能量消耗最重要的调节手段。有研究表明，肥胖人群可能存在基础代谢方面的问题，其基础代谢率比正常人低[6]，也就意味着肥胖者需要参与更多的体力活动干预肥胖。

体重保持动态平衡是能量是否均衡的一项重要监控指标。体重稳定是指个体体重的上下波动低于2.3 kg；Stevens等则在研究中发布的，将低于3% 的体重改变定义为体重稳定，体重改变在3%～5%之间为体重的小幅度波动[7]。换句话说，保证在一段时间内总能量摄入和总能量消耗的平衡，体重才能相对稳定。“以静为主”的生活方式悄无声息地替代“以动为主”的传统生活方式，体力活动不足是能量过剩的重要原因，增加每天体力活动能量消耗是改善肥胖的重要途径。

1985年Caspersen等人提出体力活动(physical activity ,PA)相关定义“通过骨骼肌的收缩产生能量消耗的身体运动”，虽然这个定义被业内广泛接受并沿用至今，ACSM定义体力活动为身体活动引起能量消耗的增加，且能量消耗增加与各种原因的死亡率之间存在剂量—效应关系[8]。因此，从体力活动与健康关系而言，Physical activity是指满足当前国际组织发布的体力活动指南要求的身体活动；美国政府于2008年发布《美国人体力活动指南》是目前唯一的基础性政府指导意见，为美国人提供了建立在科学数据基础上的体力活动健康指南。该指南建议要保证每周3～5次，每次运动30～90 min中等及以上运动强度的运动量。但遗憾的是，该指南没有提出具体的体力活动方案，缺少对体力活动过程中能量消耗的量化。同时大量临床与流行病学的研究结果认为，相对于采用活动持续时间和活动频率作为体力活动影响健康的评价标准，采用能量消耗作为体力活动影响健康的评价标准有更高的准确性[8]。综上所述，对于超重肥胖的人来说，除了健康的饮食，还要配合适量的运动，坚持经常性的体力活动，加强运动过程中能量消耗的监控，保证一定量的运动能量消耗对于维持身体能量动态平衡很有必要，是治疗和预防肥胖的重要路径。

3 能量消耗监控的常用方法

过去，人们常用问卷和日志的方法来推算运动过程中的能量消耗，问卷调查法根据受试者对问卷内容的回答，判断受试人群的运动情况和习惯；体力活动日志，受试者通过回顾每天的活动内容和时间，通过日常体力活动能量消耗表估算出受试者每日的能量消耗。主观监测方法虽然简单可操作，但其缺点也是无法回避的。如受被试者的主观感觉影响较大，容易造成测试误差，完全依赖测试者的自我回顾和判断，回忆难免有错误；个人对体力活动的理解不甚准确，导致问卷调查法信效度相对较低，不能客观反映受试者的体力活动信息。

随着科技的进步，客观测量法逐渐进入研究人员视线。客观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。直接测热法是直接测量身体向环境的散热量来计算能量消耗的方法，是公认的、最准确的测量能量消耗的方法，但由于测热装置设计、制造复杂，应用性受到限制，无法广泛推广。间接测热法是通过测量运动过程中的气体交换率，来预测身体能量消耗。多式袋法是间接测热法的经典方法，但由于该装置体积大，只能进行实验室研究和测量有限的活动，不能用于日常生活体力测量评价。双标水法是通过服用稳定经同位素2H、18O 双重标记的水（H218O 和2H2O），通过呼吸商计算出氧消耗量，代入公式即计算出一段时间内的能量消耗。价格昂贵和只能反应总能耗成为限制双标水方法推广的制约因素。间接测热法和双标水法虽有一定局限性，但由于其准确性较高，被称为能量消耗测定的两种“金标准”。

运动传感器主要包括计步器(pedometer)和加速度计(accelerometer)。计步器具有体积小、价格便宜等特点，只能准确评估步数和步行距离，不能提供活动强度、运动模式等详细信息，不能感应无明显身体移动的体力活动，在评估能量消耗上可信度较低，故只能用于简单的活动情况消耗，比如在监控每天10000步活动量时提供参考，适用于肥胖人群进行简单的自我监督。

精确测量体力活动中的能量消耗有利于维持身体健康，提供合适的日常锻炼建议，同时收集有用的临床研究资料。随着技术更新带来的加速度计的不断发展，基于加速度计原理的运动传感器越来越多地成为大样本研究中被普遍选用的客观测量方法。加速度计可同时记录人体三维平面（矢状面、冠状面和水平面）的数据，它具有体积小、质量轻、便于携带、对身体不造成损伤、最少程度干扰正常活动等特点，可记录体力活动的类型、频率、持续时间和运动强度，以及估算能量消耗。加速度计分为电压加速度计、电阻加速度计和电容加速度计3种类型。从技术层面来说，新生产的加速度计优化内在感应结构，使用集成芯片传感器，提高了监控的准确度和可靠性。常见的加速度计有单轴、双轴和三轴3种类型，无论是针对成人还是儿童，三轴加速度计与能量消耗测量之间有更高相关性。研究表明，早期的电压加速度计只能可靠地察觉动态变化，而新近采用的固态技术和数字过滤技术可以测量静态加速度和身体姿势[9]。该项新技术一方面可以提高静态行为研究的可靠度和准确性，另一方面也有利于加速度计在静态久坐行为研究中的应用。

4 加速度计在运动能量消耗监控中的应用现状

加速度具有舒适、轻便、易于携带和低成本的优势，为自然状态下的短期或长期体力活动监控提供了新的解决方法。虽然大部分产品都可以以MET来表示能量消耗，但比较几款常见产品的参数，可以发现各大公司的产品各有优劣。

Actical (Mini Metter Co.,Inc)是一款测量能量消耗和步数统计的一款全方位加速度计，它适用于各个年龄段用户，多项研究均通过双标水法对改设备在儿童体力活动测量中的准确性进行了验证，可通过测量得到能量代谢水平推算体力活动水平和活动模式。其优点是电池使用时间长，可达180 d，可佩戴在腕部、髋部或踝关节处，其缺点是只有32 MB的储存，数据记录间隔只有选择15 s，30 s，60 s 3种规格可供选择，获得参数较少。RT3(Stayhealthy, Inc.)是应用于临床和研究领域的三轴加速度计，电池寿命较长达30 d，可至多储存21 d数据，可测量活动幅度，只能佩戴在髋部，由于方程式设置原因，该设备不能对10岁以下儿童的能量消耗进行精确测量。TracmorD(DirectLife, Philips Research, Eindhoven,The Netherlans )是一款三轴加速度计，设计增加设备的穿着舒适性，减少监控设备对自发活动行为的影响，对身体的放置位置没有特殊要求，且增加反馈功能，能记忆154 d数据，只能记录活动频率是该产品最大不足。AMP 331(Dynastream Innovations, Inc.) 是一款通过收集与小腿径角度位置变化有关的加速度来计算步伐信息，同时可计算个体每天非活动状态和活动状态之间的总额或百分比的三轴加速度计，优点是能得到较多的产品参数，但存储能力不详。Actiheart是第一款结合心率（HR）监控的加速度计，将HR和加速度结合，可以提高能量消耗计算的精确性，同时可应用Actiheart 软件进行进一步分析，是一款全方位加速度计，佩戴位置为胸部，存储能量较小，为512 K。IDEEA(MiniSun, LLC)包含分别系于胸口、大腿中部和脚的5个双轴加速度计，连接至穿在腰部的微型电脑，可精确分类体力活动到40多个不同类别，存储能力为200 M，但电池工作时间只有7 d。SenseWear Aemband ( BodyMedia Inc.) 包括一个三轴加速度计、一个热量监控仪、一个皮肤温度监控仪和两个皮肤电流响应仪，多个监控仪的使用可以消除环境对测量的影响，主要是能对睡眠期间的能量消耗进行测试，电池使用寿命就5～7 d。GT3X-plus(GT3X+)( ActihGraph, LLC.)是ActiGraph系列中最新的一款，内置了三轴加速度计、环境光敏元件和倾斜角仪，增加防水功能，可用于一系列的不同的体力活动测量，可结合ActiLife 6 软件直接查看原始数据或进一步分析。GT3X-plus的优点是存储量大为250 M，电池寿命较长为10 d，可测试参数较多，包括测定姿势和睡眠数量及质量，增加采样频率设置等功能，与其他几款设备相比，具有明显优势。同系列的另一款产品——ActiTrainer 可提供HR 信息[10,11]。根据2012年第59届美国运动医学年会的资料显示，对客观测量工具的研究已经成为体力活动与健康量化研究的主流和趋势。如ActiGraph系列加速度计是当前世界范围内应用最为广泛的加速度计，目前正在被使用的包括GT1M和较新型的GT3X、GT3X+等多个型号[12]。

综上所述，扫看市场上常见的、各大公司生产的各种型号的加速度计，三轴加速计已经成为各国研究者的主流选择。例如，美国Actigraph公司生产的ActiGraph加速度计GT3X系列已经广泛被用于体力活动的调查、干预研究中。它被用于美国健康和营养调查（NHANES），调查结果虽与自我报告结果有差异，但是有高度相关性，同时被用于干预效果的比较。有研究证实在小学、初中、高中人群中都有较好的研究效果，并且被证实适用于包含校内课程和校外活动的复杂干预监控，其结果比回忆性报告可靠[13]。Syväoja[14]等人使用GT3X研究芬兰儿童体力活动、静态行为和学习成绩直接的关系。Ried-Larsen[15]等人在欧洲青年人心脏研究计划中，使用GT3X研究丹麦青少年体力活动强度和亚临床动脉粥样硬化之间关系。 Gregory和Richard[16]等人在澳大利亚通过GT3X测量中等强度以上的体力活动来证明基于Web 2.0的应用有利于进行健康干预。Kwon[17]等人在一项研究中使用加速度计测量体力活动证明儿童体力活动不足是肥胖发生的主要原因。国内，朱琳、陈佩杰[18]运用GT3X+监测广州高中生日常体力活动发现，学生以静态活动为主，活动日活动时间和能量消耗强度明显高于周末日。

5 加速度计应用的机遇与挑战

5.1 加速度计应用的机遇

5.1.1 新兴科技技术扩展加速度计功能

全球定位系统（Gobal Positioning System, GPS）是一项星载系统，可提供关于个人位置、周围环境、运动方式和运动速度等信息，其准确性和有效性已经在不同环境中得到证实。随着科技的进步，GPS定位系统越来越精确。可以更精确地跟随使用者的运动线路，结合实际地理情况（地标、道路等），对运动者锻炼的实际情况进行分析，进而对同一地区的相似人群进行大样本分析[19]。例如，wGT3X+是GT3X+的升级版，已经内置GPS功能。随着无线网络的发展和普及，降低数据传输过程中的耗损，保证监控数据传输的精准性，以及增加防水、增大存储量、延长电池寿命等功能的实现是今后加速度计研发的方向。尽量减少对被试者的限制，降低对被试的干扰，完全实现在无人、自然条件下的活动量监测，更重要的是为现代人充分利用碎片时间积极参与锻炼提供量化研究的基础。例如游泳是一项非常适合肥胖人群的运动，如果加速度计防水功能的实现，为游泳运动过程中能量消耗的监控提供可能，为更科学、合理的量化肥胖人群运动处方奠定了基础。

5.1.2 网络社区化促进加速度计的个性化发展

科技的进步促进智能手机平民化，手机内置的GPS功能和三轴加速度计为体力活动监控提供了新的思路。基于加速度计原理和体力运动相关的APP逐渐进入大众视野。这些APP软件中有的由国际运动品牌巨头出品，结合公司生产的其他产品共同使用，如Nike公司的Nike+GPS[20]以及Adidas公司生产的miCoach Running[21]；有的以专业健康应用公司为背景，如Runkeeper[22]；有的以基于体力活动兴趣的社交网络平台为基础，如Fitocracy。基于本土化需求，国内运动APP以咕咚运动专业版和联想乐疯跑为代表，咕咚注重软硬件结合，将APP与运动配件结合使用[23]，乐疯跑则增加空气质量监控[24]，符合群众对锻炼环境的关注。不同人群根据自己需要可选择合适的APP软件，无论是锻炼身体还是进行专业训练，都可以轻而易举的拥有简洁、方便的运动伙伴，实现了个性化的运动监控。智能手机技术不仅评价体力活动和锻炼位置，同时通过积极的个性化反馈刺激参与者进行体力活动的积极性。

根据“期待效应”原理，较高的期待可以在锻炼过程中发挥神奇的积极暗示作用。生活在web 2.0时代的我们，已经离不开社会化、协同化的网络。各大运动APP分别建立各自的运动结果分析网站，同时支持使用者将相关信息分享到各社交平台，使用者可以分享自己的锻炼信息，得到其他人的鼓励和支持。通过和他人锻炼信息的比较，提高自己参与锻炼的积极性。特别针对肥胖这一亟需通过外界支持获得自信的特殊人群，他人的期望更能提升锻炼者的自信心，产生极大的激励作用。有研究证实，web 2.0的社交网络有助于增加参与者保持中等强度锻炼的时间长度，并且长期坚持锻炼[22]。

5.2 加速度计应用面临的挑战

DLW作为能量消耗测量的“金标准”已经对绝大多数加速度计的有效性和准确性进行了验证，其验证结果也被各国研究者所认可，但作为一项新的测量手段，加速度计存在的不足也是每个研究人员不得不正视的问题。首先，虽然多样化的加速度计提供了更多的设备选择，为便利的体力活动监控提供可能，但是不同厂商生产的加速度计内置不同方程，且方程适用人群各不相同，很难直接比较不同设备的输出[25]。第二，各设备均有不同的参数体系，导出数据类型各有差异，如加速度输出通常表示为“活动计数”,但能量消耗分别用总能量消耗（TEE），体力活动能量消耗（AEE）或体力活动水平（PAL）来表示，不利于进行深层次的综合分析[26]。第三，大部分的加速度计都是固定频率，在监控静态活动或较低强度体力活动时，加速度计存在误差。肥胖人群运动水平相对较弱，坚持长时间高强度运动的能力较差，活动强度多为中低强度，对加速度计对低运动强度的监控能力提出更高的要求。第四，由于欧美国家对加速度计的使用及研究较早，使用的运动量推荐及能量消耗标准均参考欧美标准，且加速度计的计算方程均根据欧美人群特征设定，缺乏针对亚洲人群的设备及相关方程。利用现有设备对国内肥胖人群进行监控及运动干预时，其准确性和有效性需要进一步的验证研究。

6 小结

6.1 肥胖成为世界性问题，体力活动不足成为制约健康的重要影响因素。加强肥胖人群的能量监控，促进身体能量平衡有利于改善健康状况，提高国民身体素质。

6.2 加强体力活动的客观监控是大势所趋。加速度计，特别是三轴加速度计逐渐成为体力活动的主要监控手段。研究者根据不同试验需求，选择不同的试验设备。新兴科技的发展促进加速度计的更新和功能扩展。关注新的加速度计种类和技术，注重特定消费者需求的更新，有利于加速度计更好地服务于科研工作和大众体育需求。

6.3 加速度计的使用，为肥胖人群体力活动监控和运动干预提供新的思路，有利于发现和克服肥胖人群参加体力活动的各种困难，有利于促进肥胖人群坚持锻炼。

6.4 社区化的网络和个性化的设备选择促进了加速度计普及，也彰显了加速度计的局限性。各加速度计相对对立的系统，不同的加速度计数据导出标准，为比较和整合分析来自不同人群、不同款设备的数据提出了新的挑战，也开拓了新的研究方向。

6.5 国内关于加速度使用方面的研究较少，缺少符合中国人特点的相关计算方程，加强国内有关加速度计使用的信度和效度研究，关注体力活动与监控之间的剂量关系，建立相关参考标准将是未来研究方向。

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