登楼梯能耗相关指标的观察与分析

□ 李鑫 谢敏 孙飙（南京体育学院 江苏 南京 210014）

1、前言

随着城市人口密度不断加大，城市里高层建筑不断增多，爬楼梯成了人们日常生活中最常见的一种健身方式。经过市场调研发现，目前楼道的资源没有充分被利用，因此利用楼道健身具有广大的市场前景。本研究选取具有代表性的城市高层建筑楼梯为测试场地，采用心肺功能测试系统测试不同人群爬楼梯的能量消耗。通过对比不同性别人群爬楼梯过程中的能量消耗，寻找人体爬楼梯的能量消耗特点，选取大众易测量的指标，推导出不同性别人群爬楼梯能耗的方程，更便捷地为指导人们通过爬楼梯实现目标活动量提供参考依据。

2、研究方法

2.1、研究对象

选取年龄在18-50岁之间的健康人群作为测试对象。测试对象选取高校非体育专业学生、社会大众共60人，其中男性30人，女性30人。研究对象的身高范围：男性168-183cm，女性153-170cm。体重范围：男性60-80kg，女性46-70kg。受试者均知情同意，志愿参与本实验。

2.2、场地、环境选择

本研究测试场地选用19层高楼的楼梯间，每层24级台阶，每级台阶高度15cm。每个楼层建有一个平台（约3.2m）。

2.3、实验方法

（1）形态测量。

采用标准方法测试身高、体重、下肢长，计算BMI指数（体重/身高2）。

（2）爬楼梯测试。

经过实际观察和相关文献研究，90步/min的爬楼梯频率更能代表日常生活中的典型负荷，故本次实验选用90步/min的步速作为正式实验爬楼梯的步速。受试者爬楼梯时要求步法轻快平稳，节奏连续，不允许连上两级，不允许跑步或者停止。通过节拍器调节控制受试者的爬楼梯频率。测试开始前受试者佩戴好心肺功能测试仪器后先在楼下安静5min，然后以90步/min的步速爬楼3min。

（3）肌力测试。

用Biodex等速仪，以240角速度做20次膝关节的等速屈伸运动，得到平均力矩峰值，以测得肌耐力。

2.4、测量仪器与指标

通过K5b2便携式心肺功能仪测试受试者的能耗、心率、耗氧量等指标，其中下文中出现的登楼梯时最高心率为登楼梯后期心率较稳定的平均值，用Biodex等速仪测试受试者的左右腿膝关节屈伸力矩峰值。

2.5、统计方法

数据采用JMP统计软件，采用均数±标准差(X±SD)对一般数据进行描述，采用单因素方差分析，采用拟合分析比较不同性别间各指标差异，统计学相关性水平为拟合优度 （R方，R方在0.01-0.09为弱相关，R方在 0.09-0.36为中度相关，R方大于0.49为高度相关），采用多元线性回归建立爬楼梯能耗的预测方程。

3、结果

3.1、研究对象基本情况

表1 研究对象基本情况

60人全部完成测试。由于女生个别情况特殊，为避免实验产生巨大误差弃用少量女生数据，总样本量为54人（男性30人，女性24人）。男、女身体形态指标见表1，男、女间各指标差异均有统计学意义，男生身高、体重、下肢长均高于女生。

3.2、不同性别相关参数与能耗的分析

经单因素方差分析，不同性别人群以匀速（90步/min）登楼梯相关参数与能耗的关系如表2所示。根据测试结果显示，男性年龄、BMI、登楼梯时最高心率、台阶数与能耗有相关性，其中男性的年龄、登楼梯时最高心率和台阶数与能耗高度相关（R方＞0.49），BMI与能耗中度相关（R方0.09-0.36）；女性年龄、小腿长、登楼梯时最高心率、台阶数、左右腿肌力与能耗有相关性，其中年龄、登楼梯时最高心率、台阶数、左腿屈肌力与能耗高度相关 （R方＞0.49），小腿长、右腿屈伸肌力、左腿伸肌力与能耗中度相关（R方0.09-0.36）。

表2 男性相关参数与能耗

表3 女性相关参数与能耗

3.3、不同年龄相关参数与能耗的分析

对不同年龄人群相关参数与能耗的分析如表3所示。年龄在39岁以下的男性的身高、BMI、登楼梯时最高心率、台阶数与能耗有相关性，其中登楼梯时最高心率与能耗弱相关，身高、BMI与能耗中度相关，台阶数与能耗高度相关（R方＞0.49）；年龄在39岁以下的女性的小腿长、台阶数与能耗有相关性，均为弱相关 （R方0.01-0.09）；年龄在39岁以上的男性的BMI、登楼梯时最高心率与能耗有相关性，均为弱相关（R方0.01-0.09）；年龄在39岁以上的女性的台阶数与能耗有弱相关（R方0.01-0.09）。

表4 不同年龄相关参数与能耗

4、分析与讨论

4.1、身体形态与能量消耗

受试者的年龄、性别、体重、身高等身体形态指标是影响能耗大小的主要因素。本研究结果表明，60名受试者在90步/min登楼梯频率上具有统计学意义。登楼梯能耗表现为男性大于女性、青年人大于中年人的特点。完成相同负荷的登楼梯运动时,性别和不同年龄之间能耗存在明显差异,可能与人群间的下肢肌肉力量、动作幅度差异有关。同女性和中年人相比，青年男性下肢肌肉力量大，动作幅度大,相对运动强度要高于中年人和妇女,所以能耗要高于中年人和妇女。

4.2、不同性别登楼梯的能量消耗

如表2所示，男性年龄、BMI、登楼梯时最高心率、台阶数与能耗有相关性，其中男性的年龄、登楼梯时最高心率和台阶数与能耗高度相关，BMI与能耗中度相关；女性年龄、小腿长、登楼梯时最高心率、台阶数与能耗有相关性，其中年龄、登楼梯时最高心率、台阶数与能耗高度相关，小腿长与能耗中度相关。影响男、女性登楼梯能量消耗的因素有所差别，具体差异为男性主要与BMI有较显著的相关性而与小腿长、腿肌力无明显相关性，女性主要与小腿长、腿肌力有较显著的相关性而与BMI无明显相关性。我们分析存在这种差异的主要原因可能有男性与女性的肌肉含量、激素水平以及代谢状态均有所差别，这些指标为生理指标在实验中无法控制；由于男女身高差异较大，因此男女重心也有所差异，这可能也是造成其他参数与能耗相关性差异的原因；此外，男性腿肌力差异不大，但女性由于个体原因腿肌力差异较大，也会造成该参数与能耗相关性的差异。

4.3、推算登楼梯能量消耗的公式

本研究运用多元线性回归的方法，根据相关参数推导出计算登楼梯能量消耗的方程式。由于登楼能耗不仅与台阶数有关，还与年龄、BMI、登楼梯时最高心率等因素有关，应综合以上因素一同分析。本研究将经过推算得到的年龄、台阶数、BMI、登楼梯时最高心率、以及小腿长设定为自变量，将能量消耗设定为应变量。

本研究显示男性的年龄、登楼梯时最高心率、台阶数与登楼梯能量消耗相关系数约为0.7832，范围是0.7797-0.7865不等，达到高度相关，男性的BMI与登楼梯能量消耗相关系数约为0.4790，达到中度相关。通过JMP软件逐步回归分析，发现身高、体重、下肢长等与登楼梯能耗并无显著性关系，剔除这些参数后，登楼梯能耗只与年龄、登楼梯时最高心率、台阶数、BMI有关。建立预测方程如下：

男：登楼能量消耗（kcal）=0.011×年龄+0.134×登楼梯时最高心率+0.203×台阶数-0.281×BMI-34.78

同样分析女性的相关数据得，女性的年龄、登楼梯时最高心率、台阶数与登楼梯能量消耗相关系数约为0.7479，范围是0.6319-0.8998不等，达到高度相关，女性的小腿长与登楼梯能量消耗相关系数约为0.3188，达到中度相关。通过JMP软件逐步回归分析，发现身高、体重等与登楼梯能耗并无显著性关系，剔除这些参数后，登楼梯能耗只与年龄登楼梯时最高心率、台阶数、小腿长有关。建立预测方程如下：

女：登楼能量消耗（kcal）=0.016×年龄+0.268×登楼梯时最高心率+0.117×台阶数-0.119×小腿长-35.8。

经检验，该方程有统计学意义（P＜0.01），各偏回归系数和截距同样有统计学意义（P＜0.01），说明年龄、台阶数、小腿长、登楼梯时最高心率四个自变量均有意义，且该方程较好的解释了登楼过程中的能量消耗，具有较大的推广和应用价值

5、小结

登楼梯台阶的高度、受试者的年龄、性别、身高生物性因素等都是影响登楼梯能耗测量结果的主要因素。本研究与不同速度登山的能耗分析与研究——以南京市紫金山为例研究相比较均发现慢速、中速登楼梯或登山与总的能量消耗无明显相关性，这也是本研究不采用时间与频率等相关参数的原因。在实施测试工作时，根据不同的研究目的，控制好这些影响因素，以求测试过程的规范化和标准化，测试结果的准确性和可比性。受试人群的选取上要保证性别、年龄段之间的均衡，以求样本的代表性良好。此外，本研究发现，男性登楼梯的能耗主要与BMI有较显著的相关性而与小腿长无明显相关性，而女性登楼梯的能耗主要与小腿长有较显著的相关性而与BMI无明显相关性。本研究根据登楼梯能耗的相关参数特征建立了能耗预测方程，能较准确反映日常爬不同楼层的能量消耗值，以方便人们根据自身情况查询实际消耗能量。

6、结论

（1）在登楼梯过程中，性别不同能量消耗也不同，总体来说，男性比女性多消耗3kcal左右；

（2）影响男、女性登楼梯能量消耗的因素不同，男性主要与BMI有较显著的相关性而与小腿长、腿肌力无明显相关性，女性主要与小腿长、腿肌力有较显著的相关性而与BMI无明显相关性；

（3）不同性别分别建立多项式回归登山能耗预测方程如下：

男：登楼能量消耗（kcal）=0.011×年龄+0.134×登楼梯时最高心率+0.203×台阶数-0.281×BMI-34.78；

女：登楼能量消耗（kcal）=0.016×年龄+0.268×登楼梯时最高心率+0.117×台阶数-0.119×小腿长-35.8。