利用三轴加速度计(Actigraph GT3X+)建立蛙泳、自由泳能量消耗预测公式*

赵德峰， 王金昊， 侯 彬， 赵海燕， 邱 俊

(上海体育科学研究所， 上海 200030)

长期过量的能量摄入会导致体重增长，较低的能量摄入会影响恢复，进而影响运动能力，因此准确测量运动中的能量消耗，将为运动员最佳的能量摄入提供依据。间接测试法(IC法)是测定机体在一定时间内的O2消耗量和CO2的产生量来推算呼吸商，根据相应的氧热价计算能量消耗，IC 法被广泛应用于安静和运动过程中的能量消耗测定，被视为短时能量消耗测定方法的金标准[1]，由于测试条件限制，在长时间运动训练过程中应用IC法进行能量消耗测定较难实现。三轴加速度计是近年来研究较多的能量消耗测试仪器，携带方便，在评价日常活动能量消耗方面具有一定优势，内设的能耗预测公式也有很大应用价值[2]。专项运动项目与日常活动在运动方式上有很大区别，直接应用三轴加速度计内设公式预测能量消耗存在较大误差，因此研究学者对三轴加速度计的能量消耗有效性进行了较多应用研究，并建立了不同运动方式的能量消耗预测公式[3-5]，用以测量运动训练中的能量消耗。游泳项目能量消耗巨大，无法应用IC法测量训练中能量消耗，目前利用三轴加速度计对游泳运动能量消耗的研究较少，缺乏相关预测公式，因此本研究利用Actigraph GT3X+三轴加速度计建立自由泳、蛙泳能量消耗预测公式，为两个项目能量消耗和能量摄入提供参考依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

上海游泳队运动员21名(国家一级水平以上，专业训练两年以上，身体健康)，自愿参加此项测试，研究对象基本资料见表1。

Tab. 1 Basic conditions of the subjects

1.2 测试方案

采用游泳水槽(5 m×3 m×1.5 m，误差<0.01 m/s，水温26℃)递增方法进行测试，蛙泳组采用1.1 m/s流速起始，每分钟递增0.03 m/s，至力竭结束测试；自由泳组采用1.2 m/s流速起始，每分钟递增0.04 m/s，至力竭结束测试。所有运动员均对水槽测试进行充分适应，测试前经过充分热身。测试泳池条件：温度28℃、湿度60%。

1.3 能量测试

能量测试当天清晨，受试者着轻质衣服空腹测试身高(cm)和体重(kg)，体表面积(m2)采用许文生氏公式[5]，体表面积=0.0061×身高+0.0128×体重-0.1529。Actigraph GT3X+加速度计佩戴位置为右侧腕关节(wan)、右侧踝关节(huai)和右侧髂腰部(yao)。加速度计记录冠状轴(x轴，前后方向)、矢状轴(y轴，左右方向)、垂直轴(z轴，上下方向)和三轴向量幅值(VM=(ACx2+ACy2+ACz2)1/2)的加速度计数(counts/min)。受试者鼻子夹住后，通过咬嘴进行呼吸，通气软管固定于移动支架上。Cosmed K4b2进行环境空气、流量和参考气体校准后，放置于移动支架上，采用breath by breath 法实时采集受试者通气软管处的氧气(VO2)(L/min)和二氧化碳(VCO2)(L/min)，能量消耗公式采用厂家标准公式EEm(IC)(Kcal/min)=(3.078×VO2+1.237×VCO2)×BW/(BW+1)[6]。

1.4 测试仪器

Cosmed K4b2便携式心肺功能测试仪(意大利COSMED公司)，Actigraph GT3X+型三轴加速度计(美国MIT公司)。

1.5 统计学处理

采用SPSS 17.0软件统计包对所有数据进行统计分析，建立线性回归公式(Stepwise法)。建立回归公式的因变量均为能量消耗(EEM)，公式1自变量为体表面积(BSA)、腕部加速度数据(wanACx，wanACy，wanACz)；公式2自变量为体表面积(BSA)、腰部加速度数据(yaoACx，yaoACy，yaoACz)；公式3自变量为体表面积(BSA)、踝部加速度数据(huaiACx，huaiACy，huaiACz)；公式4自变量为体表面积(BSA)、腕腰踝部加速度数据(wanACx，wanACy，wanACz ，yaoACx，yaoACy，yaoACz ，huaiACx，huaiACy，huaiACz)；公式5自变量为体表面积(BSA)、腕腰踝部三轴向量幅值数据(wanVM， yaoVM ，huaiVM)。

Tab. 2 Establishment of breaststroke swimming energy expenditure prediction equation on BSA wrist(ACx、ACy、ACz) waist(ACx、ACy、ACz) ankle(ACx、ACy、ACz) wrist waist ankle(ACx、ACy、ACz) and wrist waist ankle(VM)

Tab.3Regression coefficient of the fourth prediction equation for energy expenditure in breaststroke swimming

BS.E.BetatSigConstant-20207.44026.923-5.0180.000yaoACy29.2533.0860.4399.4780.000BSA15837.611607.6250.4769.8520.000huaiACx1.9780.5040.183.9220.000huaiACy1.5640.4020.1863.8870.000wanACx-2.070.581-0.181-3.5630.000

2 结果

2.1 蛙泳能量消耗预测公式的建立

由表2可见，利用Actigraph GT3X+三轴加速度计所建立的能量消耗预测公式α值均小于0.05，公式2的F值>公式4>公式1>公式5>公式3，表明利用上述各部位建立的能量消耗预测公式线性模型均显著成立；公式4的判定系数R2>公式2>公式5>公式3>公式1。表明利用上述公式建立的能量消耗预测公式拟合程度均较好，但公式4的拟合程度最好，预测公式能解释的变异占到了67.7%(表3)。

2.2 自由泳能量消耗预测公式的建立

由表4可见，利用Actigraph GT3X+三轴加速度计所建立的自由泳能量消耗预测公式α值均小于0.05，公式3的F值>公式4>公式5>公式2>公式1，表明利用上述各部位建立的自由泳能量消耗预测公式线性模型均显著成立；公式4的判定系数R2>公式5>公式3>公式2>公式1。表明利用上述公式建立的能量消耗预测公式拟合程度均较好，但公式4的拟合程度最好，预测公式能解释的变异占到了71.2%(表5)。

Tab. 4 Establishment of front crawl swimming energy expenditure prediction equation on wrist(ACx、ACy、ACz) waist(ACx、ACy、ACz) ankle(ACx、ACy、ACz) wrist waist ankle(ACx、ACy、ACz) and wrist waist ankle(VM)

Tab.5Regression coefficient of the fourth prediction equation for energy expenditure in front crawl swimming

BS.E.BetatSigConstant-32142.71819.225-17.6680.000BSA24285.571987.3620.84124.5960.000huaiACy0.2480.020.42112.3370.000yaoACx-0.4180.052-0.262-7.970.000wanACx0.170.0270.2116.3780.000

3 讨论

游泳是能量消耗非常大的项目[7]，运动员个体能量消耗也存在较大差别，因此了解运动员运动训练过程中的能量消耗，将有助于运动员进行合适能量补充[8]。由于在泳池中应用直接法进行能量消耗测试很难实现，相关研究较少。Actigraph GT3X+三轴加速度计在评价日常活动的能量消耗方面具有一定优势，建立的能耗预测公式也有很大意义。但在游泳项目中，运动员运动方式与日常身体活动存在明显差异，无法直接应用GT3X+三轴加速度计内设公式对运动员能量消耗做出准确预测。游泳水槽实验室能够提供稳定可调的水流，相关实验可以开展[9]，本研究在游泳水槽实验室通过递增速度测试运动员不同流速下能量消耗变化，利用Actigraph GT3X+三轴加速度计建立蛙泳、自由泳能量消耗预测公式。

研究表明与身体形态有关的因素都与游泳运动员的能量消耗间存在线性关系[10]。体表面积能反映身体形态等参数，腕部能反映游泳过程中上臂运动过程，腰部可以反映运动员躯干部位运动过程，踝部能反映运动员下肢打腿等运动过程。因此本研究将三轴加速度计佩戴在上述三个部位，可反映出自由泳和蛙泳游进过程中上肢、腰部和下肢三个维度加速度变化情况。本研究以EE为因变量，以BSA，腕部加速度数据(wanACx，wanACy，wanACz，wanVM)、腰部加速度数据(yaoACx，yaoACy，yaoACz，yaoVM)和踝部加速度数据(huaiACx，huaiACy，huaiACz，huaiVM)等为自变量进行逐步回归分析，利用Actigraph GT3X+三轴加速度计建立的蛙泳预测公式EEm(cal/min)= -20207.4+29.253×yao ACy+15837.61×BSA+ 1.978×huai ACx+ 1.564×huai ACy -2.07×wan ACx(R2= 0.677)；自由泳预测公式EEm= -32142.7+24285.571×BSA + 0.248×huai ACy -0.418×yao ACx+0.17×wan ACx(R2= 0.712)。在线性回归中，如果残差之间不是彼此独立的，一些公式的拟合结果会出现问题，D-W统计量通过确定两个相邻误差项的相关性是否为零来检验回归残差之间是否存在自相关。D-W值得取值范围为0

Ratel[11]以30名专业自由泳运动员(10少年男性、5名少年女性运动员和10名成年男性、5名成年女性运动员)为研究对象，根据耗氧量和游速的比率推测能量消耗，探讨性别和年龄对200 m游泳能量消耗的影响，结果发现，性别和年龄之间没有显著性差异。因此在本研究选择研究对象时，并未将年龄因素及性别因素考虑在内。

邱俊[12]在水槽中应用三种间接代谢方法对自由泳能量消耗测试的准确性进行了研究，并以腕VM为自变量，结合体重、速度平方建立了加速度计法能量消耗非标准化回归公式：EE(Kcal/min)=4.488+2.197×速度平方+0.171xBW - 0.00011×wan VM(R2=0.492)。在运动训练中，依据训练目的不同，运动员速度要求会存在明显区别，加速度会随之变化，因此恒定速度下能量消耗预测公式很难准确测量运动员每天训练的能量消耗。本研究应用递增速度建立了预测公式，更符合运动训练实践需要。

同样游近距离下，不同泳姿能量消耗存在一定差别，在本研究中，由于仰泳和蝶泳佩戴cosmed等测试仪器不方便，因此未进行仰泳和蝶泳泳姿能量消耗测试。Barbosa[13]研究了4种不同泳姿之间200m 递增游泳的能量消耗，研究结果表明游速为1.0～1.2 m/s时，蛙泳总能量消耗显著高于仰泳、自由泳的总能量消耗，1.4 m/s时蛙泳能量消耗最高，自由泳能量消耗显著低于蛙泳、蝶泳和仰泳的能量消耗，1.6 m/s时蛙泳能量消耗也显著高于蝶泳和自由泳的能量消耗，自由泳能量消耗最低，其次为仰泳、蝶泳，蛙泳能量消耗为最高。因此本研究通过建立蛙泳和自由泳的能量消耗预测公式，可以为蝶泳和仰泳提供参考依据，并据此进行能量补充。

因技术条件限制，本研究未在真实泳池环境进行三种不同速度的能量消耗验证，在今后研究中，在技术条件许可情况下，建立的预测公式在真实泳池环境进行进一步验证研究。由于泳池环境和日常活动预测公式不同，在记录运动员全天能量消耗过程中，应标记运动时间节点，分段计算能量消耗。

综上所述，本研究初步探讨了利用Actigraph GT3X+三轴加速度计建立蛙泳和自由泳能量消耗公式的可行性及有效性，建立的蛙泳预测公式为EEm(cal/min)= -20207.4+ 29.253×yao ACy+15837.61×BSA(m2)+1.978×huai ACx+ 1.564×huai ACy-2.07×wan ACx( R2=0.667)，自由泳预测公式为EEm(cal/min)=-32142.7 +24285.571×BSA(m2) + 0.248×huai ACy -0.418×yao ACx+0.17×wan ACx(R2= 0.712)。两个公式可以作为评价游泳运动员蛙泳和自由泳能量消耗的工具，其结果可作为运动员能量补充的参考依据，也可游泳锻炼者测算运动能量消耗提供参考依据。