基于心率和加速度计计数建立老年女性广场舞锻炼能量消耗预测模型研究

孟锟 梁卓滢 张颖 邱俊强，2

1 北京体育大学运动人体科学学院（北京 100084）2 运动营养北京市高等学校工程研究中心（北京 100084）

身体活动（physicalactivity，PA）对于健康老龄化至关重要。适当的身体活动可以降低老年人的全因死亡率、慢性疾病发病率以及跌倒风险，并改善认知、睡眠和心理健康[1]。身体活动有助于能量消耗的增加，进一步促进能量平衡，从而减少由能量失衡引起的一系列慢性疾病的发生，如肥胖、高血压、糖尿病和心血管疾病等[2]。广场舞是中国常见的运动项目之一，其群众性、多样性和开放性的特点深受中老年女性的喜爱。广场舞作为一项身心运动，在改善老年人认知功能[3]、记忆力[4]、身体成分[4]、抑郁情绪[5]、身体机能[4]、骨骼健康[6]以及生活满意度[7]等方面的效益均有报道。

能量消耗（energy expenditure，EE）作为身体活动的主要监测指标，对于指导群众科学合理地进行身体活动具有重要意义[8]。精准能量消耗测试所需设备和场地在大众健身中推广具有局限性，如何通过可穿戴设备获得有效的能量消耗数据对于指导群众科学健身至关重要。目前，关于能量消耗模型的建立常见于走、跑、自行车等周期类运动项目，而广场舞这种复杂的非周期项目的能耗模型尚未建立。本研究采用间接测热法测量老年人习练广场舞期间的精准能量消耗，同时采集心率和加速度计数据，以气体代谢仪数据为基准，建立适合老年女性的广场舞能量消耗方程，为科学监测老年女性广场舞锻炼能量消耗提供参考。

1 研究方法

1.1 研究对象

本研究选取50 名习练广场舞的女性老年人，其中40 名作为建模组，10 名作为验证组。纳入标准：1）自愿参加测试；2）年龄60 周岁及以上；3）可以熟练进行广场舞演示，具有1 年以上规律的广场舞锻炼。排除标准：患有代谢性疾病、慢性疾病以及身体运动功能受损者。参与者基本信息见表1。

表1 受试者基本信息

在实验前，研究人员向受试者解释测试过程、风险和益处。要求受试者在测试前24 小时内避免摄入咖啡因和酒精，避免剧烈运动，至少两小时内避免进食，并在测试前一天晚上保证充足的睡眠。所有参与者均签署知情同意书，实验经北京体育大学伦理委员会批准（2019099H）。

1.2 测试流程

1.2.1 基本信息采集

在进行广场舞能量消耗测试之前，由测试人员向受试者介绍实验流程后，受试者签署《知情同意书》及填写《基本情况调查表》，收集受试者姓名、性别、年龄、籍贯、疾病史、家族史、运动经历等基本信息。随后研究人员采用国民体质监测身高测试仪现场测量身高，Inbody 230 体成分分析仪测量体重、身体质量指数（bodymassindex，BMI）、肌肉质量、体脂率等指标。

1.2.2 广场舞能量消耗测试

所有的能耗测试均是在北京体育大学的同一实验室内进行。测试条件为室温20℃～26℃，相对湿度45%～70%。所有参与者均单独测试，参与者需佩戴便携式气体代谢分析仪（CORTEX MetaMax 3B-R2，德国）与配套Polar 心率表带以及5 个部位（左、右手腕，腰部，左、右脚踝）三轴加速度计（ActiGraph-GT3X+），在仪器校准和设置后分别进行安静状态测试与运动状态测试。

受试者在佩戴所有设备后静坐10～15 分钟测量静息代谢率、摄氧量（oxygen consumption，VO2）和心率（heart rate，HR）等指标，在此期间避免说话、摇头或移动身体。静息结束后，要求参与者原地站起，随着音乐播放，进行持续10 分钟的广场舞练习，所测试舞蹈曲目包括《一起向未来》、《红枣树》、《一晃就老了》、《心在路上》、《心上的罗加》、《芦花》。在CORTEX 软件系统上标记每次测试的开始和结束时间，并连续记录VO2和HR 等指标。练习结束后进行至少15 分钟的恢复。建模组和验证组均采用同样的流程进行测试。测试后在CORTEX 软件中导出所测试的数据，分析指标包括EE、HR、代谢当量（metabolic equivalent，MET）、VO2，最大心率百分比（% HRmax=运动中平均HR/HRmax；HRmax=207－0.7×年龄），心率差（ΔHR=运动中平均HR－安静HR）。在ActiGraph 软件中导出所测试的x轴、y轴、z轴以及三轴向量幅值（vector magnitude，VM）的平均计数值。运动前静息数据分析最平稳的5 分钟，广场舞运动中的数据剔除前2分钟非稳态数据进行分析。

1.3 数理统计

使用IBM SPSS Statistics 22.0 软件对数据进行统计分析。计量资料采用（）或M（P25，P75）进行描述。采用Pearson 相关分析各指标与精准能量消耗的相关性。随机选取40 人的样本，采用多元线性逐步回归方法建立能量消耗预测方程。使用验证组10 人的样本的相关指标回代方程，并计算绝对误差、相对误差率、均方根误差（rootmean square error，RMSE）以及Bland-Altman 散点图来检验运动能耗预测方程的有效性。定义显著性P＜0.05。

2 结果

2.1 广场舞运动能量消耗

本研究对60 岁以上老年女性广场舞锻炼的EE 特征进行分析，见表2。老年女性在进行广场舞锻炼时的EE为4.68 kcal/min，运动中的平均心率为123 ± 14次/min，最大心率百分比为76.79% ± 8.82%，ΔHR 为46.55 ± 11.09。另一方面，老年女性进行广场舞时的运动强度为4.74 ± 0.82 METs。

表2 EE（kcal/min）与身体成分和HR的相关性

2.2 广场舞精准能量消耗与各指标的相关性

在建立EE 预测方程前，将间接测热法测得的精准EE（kcal/min）与体成分相关指标、HR 指标和5 个部位的加速度计x 轴、y 轴、z 轴及VM 平均计数值进行相关性分析。由表2 可知，EE（kcal/min）与体重、BMI、骨骼肌质量、运动中平均HR、% HRmax以及ΔHR 均具有显著性相关（P＜0.05，P＜0.01），与身高和体脂百分比不具有相关性（P＞0.05）。由表3 可知，气体代谢仪所测EE 与腕部加速度计x 轴、y 轴、z 轴及VM 平均计数值均不具有显著性相关（P＞0.05）；与腰部加速度计的z 轴和VM平均计数值具有显著性相关（P＜0.05，P＜0.01）；与左、右脚踝的加速度计三个轴和VM 平均计数值具有显著性相关（P＜0.05，P＜0.01），与左脚踝的VM 值相关性最高（r=0.519）。

表3 EE（kcal/min）与5个部位加速度计平均计数值的相关性

2.3 老年人广场舞能耗预测方程的建立

由表4 可知，利用HR、加速度计计数单独建立EE方程以及利用HR 和加速度计计数联合建立多元线性逐步回归方程，所建立的EE 预测公式 α 值均小于0.05，表明利用上述各指标建立的EE 预测方程线性模型均成立。所有方程的R2在0.424～0.626 之间，其中方程6 的R2最高，表明方程6 的拟合程度最好，预测公式能解释的变异占到62.6%。另一方面，建立的所有预测方程的容许度均大于0.1，方差膨胀因子（VIF）均小于10，表明不存在多重共线性。

表4 HR和加速度计计数建立老年人广场舞能耗预测方程

2.4 老年人广场舞能耗公式的验证

本研究将10 名验证组受试者的体重、HR 指标和加速度计平均计数值代入建立的方程进行验证，得到预测值和实测值的绝对误差、相对误差率（%）和均方根误差（RMES）（表5）。平均绝对误差为0.37～0.76 kcal/min，平均相对误差率为7.48%～15.09%，RMSE 在0.506～1.030之间。

表5 老年女性广场舞能耗回归方程的预测分析

本研究以验证组受试者实测值与预测值的均值作为横坐标，实测值与预测值的差值作为纵坐标建立Bland-Altman 散点图，如图1所示。7个方程的预测值与实测值的差值均分布在±1.96 SD 区间内，且均值误差都接近0（－0.082～－0.328）。

图1 预测方程的Bland-Altman 散点图

3 分析和讨论

广场舞是老年人最喜爱的运动方式之一，特别是老年女性人群。国家国民体质监测中心发布的《2020年全民健身活动状况调查公报》数据显示，我国老年女性参加广场舞锻炼的比例为13.1%，仅次于健步走。因此，在健康老龄化背景下，了解广场舞的能量消耗特征，利用可穿戴设备测量广场舞能量消耗，对于指导科学健身、维持能量平衡具有重要意义，但目前尚未见广场舞能量消耗的预测模型。与其他常见运动项目相比，舞蹈类运动自身的特点会影响运动能量消耗，这包括舞蹈风格、音乐节奏、舞蹈动作的编排、连续或间歇时间以及舞步的特点等[9]。鉴于中国人对广场舞的广泛参与，本研究建立老年女性广场舞能耗模型。以间接测热法所测能量消耗为精准能耗，以体重、加速度计计数值和心率指标建立老年人广场舞能量消耗模型，旨在提供一个简单、便捷、可行的有效方法。

3.1 老年女性习练广场舞的能量消耗特征

本研究对北京市某社区的老年女性进行了10 分钟的广场舞能量消耗测试。纳入的受试者均至少习练广场舞1 年以上，可以熟练地进行广场舞练习。由于广场舞锻炼往往是跟随着不同的舞曲进行，因此，本研究要求受试者准备不同曲目的广场舞套路，以更贴近实际情况。本研究结果表明，老年女性进行广场舞锻炼时的EE 为4.68 ± 0.76 kcal/min，即每小时大约消耗281 kcal，运动中平均运动强度为4.74 ± 0.82 METs。这表明，广场舞属于中等强度运动（3～5.9 METs 为中等强度），结合ACSM 对不同年龄MET 值的划分，老年人的中等强度为3.2～4.7 METs，较大强度为4.8～5.7[10]。因此，广场舞对于老年人群来说属于中等强度运动。目前国内关于广场舞的精准EE 研究大多以中老年人群且多数研究以一支舞曲的广场舞进行测试。吕燕和周莹[11]的研究与本研究使用了相同的测试仪器，并且同样采集了10分钟的广场舞EE，但该研究仅采用一支舞曲（《舞动中国》），其结果表明广场舞的EE 为306.5 ± 45.2 kcal/h，5.7 ± 0.9 METs。与本研究存在一定的差异，其原因可能是该研究仅使用一支舞曲进行测试。另外，在何玲珑[12]的研究中进行了中老年女性30 min 广场舞锻炼的EE 采集，研究结果表明，30 min 广场舞锻炼的METs 为4.10，与本研究的结果相似。还有两项研究[13，14]对中老年女性进行广场舞《走出大山》和《站在草原望北京》的EE 特征进行了探讨，结果均表明，女性中老年人进行广场舞锻炼的METs平均值为4.4，运动能耗特征也与本研究相似。本研究结果表明，女性老年人在进行广场舞锻炼时的平均HR为123次/min。广场舞运动的% HRmax为76%左右，这表明女性老年人进行广场舞锻炼的相对强度为中等强度（64%～76%）。在前人的研究中，中老年女性进行广场舞锻炼的平均HR 为107次/min左右[12]。在其他两项研究中，中老年女性进行单支广场舞锻炼的平均HR 为112次/min左右[13，14]。

3.2 各指标与能量消耗的相关性

本研究采集了受试者的体成分、心率、5 个部位加速度计的平均计数值以及便携式气体代谢仪测量的EE 指标，将精准EE 指标与其他指标进行相关性分析。身体形态指标常用于EE 的相关研究中，本研究结果表明，EE（kcal/min）与体重、BMI、骨骼肌质量均具有显著性相关（P＜0.05），与体重的相关性最高（r=0.346，P=0.014）。HR 常被用来监测运动强度，在一定强度范围内，HR 与耗氧量呈线性相关，因此对日常身体活动的EE 监测具有一定的意义[15，16]。在本研究中，EE 与HR 指标的相关性分析表明，EE 与运动中平均HR 的相关性最高（r=0.465，P=0.001），其次是% HRmax（r=0.447，P=0.001）和ΔHR（r=0.407，P=0.003）。目前，基于加速度计的测量方法已经成为EE 测量和身体活动监测的重要评价方法[17]。由于广场舞属于非周期性运动项目，且舞蹈种类丰富，舞蹈动作多样，舞步与肢体动作复杂多变。与走、跑等周期性运动项目相比，仅佩戴一个部位的加速度计可能难以准确测量广场舞的EE。因此，本研究除了在腰部佩戴加速度计外，在左、右手腕和左、右脚踝各佩戴一个加速度计以捕捉下肢和上肢的运动加速度。研究结果表明，左、右手腕部位的加速度计的x 轴、y 轴、z轴以及VM 平均计数值与EE 均不具有显著性相关（P＞0.05）。腰部的z 轴和VM 平均计数值与EE 相关性分别为r=0.340和r=0.370。左侧脚踝的VM、x轴、y轴、z轴平均计数值与EE具有较高的相关性（分别为r=0.519；r=0.382；r=0.407；r=0.475）。右侧脚踝的VM、x 轴、y 轴和z 轴平均计数值与EE 也具有显著性相关（分别为r=0.434；r=0.395；r=0.349；r=0.365），除了x 轴以外，其他指标均不如左侧脚踝相关性高。因此，本研究的结果表明，对于老年女性人群，体重、运动中平均HR、ΔHR以及腰部和脚踝处加速度计平均计数值与EE的相关性较高，可用以模型的建立。

3.3 老年人广场舞能量消耗模型

本研究利用HR 和加速度计计数以及体重建立了老年人广场舞EE 预测模型。以EE 为因变量，以体重、运动中平均HR、ΔHR、腰部加速度计和左侧脚踝加速度计平均计数值（VM、x 轴、y 轴和z 轴）为自变量，建立EE 逐步回归方程。单独使用加速度计计数建立的方程为：EE（kcal/min）=－0.066+0.054×体重+0.03×腰VM；EE（kcal/min）=－0.665+0.055×体重+0.019×左侧脚踝VM 以及EE（kcal/min）=0.055+0.048×体重+0.016×右脚踝VM。在这3个预测方程中，Durbin-Watson检验值在1.764～2.040 之间，说明观测值具有相互独立性。另外，3 个方程的所有容忍度值均大于0.1（0.990～0.999），方差膨胀因子均小于10（1.001～1.010），表明自变量之间不存在多重共线性。O’Mailia等[9]使用Caltrac 和TritracR3D 两种加速度计对舞蹈锻炼进行了能耗的预测，其中Caltrac 为单轴加速度计，TritracR3D 为三轴加速度计，结果表明2 种加速度计都会严重低估三种舞蹈锻炼方案的实际EE，约低估了实际EE 的41%到52%。由于多数以舞蹈为基础的身体活动常涉及到高强度的上半身运动和手臂动作的编排，加速度计不能充分地解释上肢和手臂舞蹈动作所产生的额外EE。

在本研究中，单独使用HR 建立的方程为EE（kcal/min）=－0.354+0.055×体重+0.036×心率差，其R2为0.458，表明该方程可以解释45.8%的变异量。Lowe 等[18]的研究使用Polar F6 监测HR 来预测有氧踏板舞的EE，结果表明，使用HR 进行预测会高估15.24 cm 高度踏板、126 拍/分钟节奏下的有氧踏板舞的EE。由于单位时间内高估2.4 或2.0 kcal/min，因此，在整个有氧踏板舞的锻炼过程中，每小时会高估144 kcal 的EE。有研究[19]利用HR 预测高水平国标舞舞者在模拟拉丁舞和摩登舞比赛时的EE，结果表明，在摩登舞和拉丁舞中，男性的EE 分别为54.1 ± 8.1 kJ/min 和54.0 ± 9.6 kJ/min，女性的EE 分别为34.7 ± 3.8 kJ/min 和36.1 ±4.1 kJ/min。与本研究的结果相比，竞技国标舞的EE水平远远高于广场舞，今后的研究应该使用相同人群的测试结果进行对比。

另外，本研究使用HR联合加速度计计数建立预测方程，其中，HR 与左侧脚踝加速度计计数建立的方程为EE（kcal/min）=－1.438+0.058×体重+0.023×心率差+0.015×左脚踝VM；与右侧脚踝加速度计计数建立的方程为EE（kcal/min）=－1.902+0.046×体重+0.02×心率+0.013×右脚踝VM；与腰部加速度计计数建立的方程为EE（kcal/min）=－2.247+0.05×体重+0.021×心率+0.025×腰VM。3 个方程的所有容忍度值为0.828～0.994，方差膨胀因子为1.006～1.207，表明不存在多重共线性。3 个方程的R2在0.527～0.626 之间，这表明心率联合加速度计计数相较于单独使用心率或加速度计计数有更好的预测能力。Domene 等[20]使用HR 联合加速度计计数建立了业余拉丁舞EE 模型，结果表明在手腕上佩戴加速计并同时测量HR是预测拉丁舞中EE和步数的有效和可靠的技术，平均舞蹈强度为6.09 ± 0.96 kcal/kg/h。采用HR 联合脚踝加速度计计数以及HR 联合髋部加速度计计数建立EE 模型的预测能力分别为R2=0.43和R2=0.52。而HR联合手腕加速度计计数建立EE模型时，EE的预测能力达到R2=0.71。对于这种特殊的舞蹈风格，结合加速度传感器和HR比单独使用任何一种方法更能准确地评估EE，这与本研究的结果相似。本研究与该研究的不同点是并未发现手腕加速度计计数与EE 的相关性，其主要原因是拉丁舞的手臂动作较多，且强调手臂动作快速有力、上肢造型动作的爆发力，而对于大众健身的广场舞，手臂动作的速度和力度与拉丁舞具有较大差距。有研究表明，当仅使用加速度计的指标预测EE 时，除了躺着、电脑工作和慢走外，所有18 项被调查的身体活动都存在显著的低估现象[21]。加速度计与HR 相结合的优点也在其他研究中有所验证[22，23]。

3.4 老年人广场舞能耗预测模型的验证

本研究采用10 名验证组受试者的数据对方程的有效性进行进一步分析，计算绝对误差值、相对误差率和均方根误差。结果表明，本研究建立的7 个方程预测值和实测值的绝对误差在0.37～0.76 kcal/min之间，相对误差率在7.48%～15.09%之间，均方根误差为0.506～1.030 之间。其中方程3 的绝对误差和均方根误差最小，方程2 和方程3 的相对误差率值最小，表明使用腰部和左侧脚踝部位加速度计计数建立的方程准确度最高。整体上，本研究建立的回归模型的可信程度较高。此外，本研究进一步使用了Bland-Altman 散点图计算两种测量结果的一致性，以此来检验模型预测的准确性。由Bland-Altman 散点图可知，所有方程的预测值与实测值的差值均介于±1.96 SD 区间内，且均值误差均接近0（－0.082～－0.328），表明各个方程均具有良好的预测能力。

4 结论

本研究初步建立了老年女性广场舞能量消耗模型，利用心率联合加速度计计数建立的能耗方程具有较高的预测能力。心率差联合左侧脚踝加速度计计数值建立的方程预测效果最好，EE（kcal/min）=－1.438+0.058×体重+0.023×心率差+0.015×左脚踝VM（R2=0.626）。另外，测量广场舞能量消耗佩戴加速度计的最佳位置为脚踝处，其次是腰部。本研究建立的7 个方程均有效，可以为广场舞老年女性人群进行广场舞能量消耗监测提供理论依据。