方法文章

使用加速度计和氧气消耗评估身体活动强度

DOI：

10.3791/67864

⸱

2025年6月20日

 ,  ,  ,  ,  , 
1School of Physical Therapy, University of Chile, 2Exercise and Rehabilitation Sciences Institute, School of Physical Therapy, Faculty of Rehabilitation Sciences, Universidad Andres Bello, 3Department of Physical Therapy, University of Chile

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文介绍了一种在椭圆形跑道上进行递增式走跑测试（速度范围为 0.84 至 2.37 m/s）时，利用间接测热法和两个加速度计（分别佩戴于右手腕和腰部）评估身体活动强度水平的实验方案。结果显示，不同方法所评估的身体活动强度存在差异。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究比较了评估身体活动强度的客观方法，旨在通过间接测热法和腕部及腰部三轴加速度计，结合加速度计的计数截断点以及通气阈值一（VT1）和通气阈值二（VT2），识别身体活动强度测量中的差异。该研究为一项针对女大学生（n = 35，年龄 22.4 ± 1.9 岁）的横断面分析研究。在长度为 160 米的椭圆形跑道上进行递增式标准化走跑测试时，使用了三轴加速度计和便携式心肺功能测试仪（测试速度每分钟递增一次，通过声音信号提示，从 0.84 m/s 增至 2.37 m/s）。测试过程中采集了加速度计数据（来自腕部和腰部）、氧气消耗量及通气反应数据。VT1 和 VT2 通过 VSlope 方法（VO₂）确定。2/VCO2二氧化碳产生量/每分钟通气量（VCO2/VE），分别使用开源统计软件. 所有参与者均完成了测试。VT1 出现在第 2 阶段（n = 5）、第 3 阶段（n = 5）、第 4 阶段（n = 3）、第 5 阶段（n = 8）、第 6 阶段（n = 5）、第 7 阶段（n = 3）、第 8 阶段（n = 1）以及第 9 阶段（n = 5）。VT2 仅在 9 名志愿者的递增负荷测试中被检测到，出现在第 7 阶段（n = 2）、第 8 阶段（n = 3）、第 9 阶段（n = 2）和第 10 阶段（n = 2）。在测试的较高强度阶段，腕部与腰部加速度计测量值之间的差异较为明显。 在腕部测得的体力活动强度较高，主要位于VT1以上。此外，加速度计检测到的体力活动强度水平与VT1和VT2之间存在差异。在递增负荷测试中，常用的身体活动强度评估方法在判定高强度体力活动起始速度时缺乏一致性。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

规律的身体活动（PA）具有多种健康益处，可降低患多种非传染性疾病的风险1。然而，这些效果取决于身体活动的强度（即轻度、中等强度或高强度）2。为了确定这些运动强度水平，可通过心肺运动试验（CPET）进行评估；该测试能够客观反映心血管和呼吸系统的功能，进而基于通气阈值（VT）客观判断身体活动的强度水平，而通气阈值是区分从轻度到中等或高强度身体活动的金标准3。

加速度计是一种可穿戴设备，用于测量监测器所附着的身体部位在不同轴向上的加速度4。加速度计以一个名为“每分钟计数”（CPM）的任意单位来测量身体活动（PA）的强度。通过将计数（即在特定时间区间（epoch）内量化加速度的测量值）按照一组切点（即用于身体活动强度分类的强度阈值）进行分类，可获得身体活动的量和强度4。在健康人群中，轻度身体活动通常对应于以低于3.2 km/h的速度行走以及热身游戏等活动；中等强度身体活动包括以超过3.2 km/h的速度行走和有氧游戏等活动；最后，高强度身体活动则包括跑步和高强度游戏等活动5。

尽管加速度计可提供可量化的数据，但这些数据会因所使用的加速度计类型或其在身体上的佩戴位置不同而有所差异6。用于识别不同体力活动强度水平的传统阈值，通常是基于正常体重受试者获得的数据提出的7，并且此前也已被用于住院患者4。在成人中，通常使用的阈值为：0–2689 CPM（轻度体力活动）、2690–6166 CPM（中等强度体力活动）、6167–9642 CPM（高强度体力活动）以及9643 CPM及以上（极高强度体力活动）8。

目前尚不清楚通过三轴加速度计识别的身体活动强度是否与在渐进式心肺运动试验（CPET）期间通过通气阈值（VT1 和 VT2）检测到的强度相对应。因此，本研究的目的是评估在椭圆形跑道上进行递增式行走-慢跑测试时，通过间接测热法以及腕部和腰部佩戴的加速度计所测量的身体活动强度水平，并考察这些评估方法在年轻健康女性中的一致性9。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

该研究遵循机构和国际指南，并已获得本机构人类研究伦理与研究委员会的批准。

1. 招募参与者

  1. 通过海报宣传并向学生所在机构的内部网络发送电子传单，邀请高校学生群体中的潜在参与者。
  2. 向潜在参与者提供知情同意书，并向其详细说明研究项目内容。
  3. 评估纳入标准（健康女性，年龄18至40岁）和排除标准（自我报告的心律失常、严重心血管疾病、慢性肾病、慢性阻塞性肺疾病、使用β受体阻滞剂，或任何可能影响测试的肌肉骨骼疾病），并应用美国心脏协会（AHA）/美国运动医学会（ACSM）的运动前筛查问卷。
  4. 志愿者同意参与并签署知情同意书后，将一份副本交还参与者，另一份由研究团队负责人保存。
  5. 与受试者协调确定评估的具体日期和时间。要求受试者在测试前至少禁食3小时，穿着舒适衣物，避免摄入含咖啡因和酒精的饮料，并在测试前24小时内避免进行剧烈体力活动。
  6. 在温度受控的房间内对每位参与者进行体重和身高的测量评估。

2. 测量设备的准备

  1. 组装便携式心肺功能仪与背带，在维可牢尼龙搭扣带上安装加速度计，并设置蓝牙心率（HR）监测器。
  2. 在步行-慢跑跑道外对便携式心肺功能仪的气体和流量计进行校准。
    1. 操作时，在软件界面上按下 校准 按钮，然后在气体校准窗口中按下 步骤 1 ，以检测空气中的氧气和二氧化碳浓度。
    2. 完成步骤 1 后，将气体校准瓶连接至气体分析仪管路，在气体校准窗口中按下 步骤 2 ，以检测校准瓶中的氧气和二氧化碳浓度（15% 氧气、4% 二氧化碳，其余为氮气）。
    3. 成功完成气体校准后，将流量计连接至 3 L 校准注射器。在软件界面的流量计校准窗口中按下 开始校准 按钮。
    4. 随后，推动注射器活动部件完成整个行程，尝试以稳定气流完成 5 个循环。当达到所需气流时，屏幕上将出现蓝色和红色条形，表示已达到正确气流。
  3. 通过点击 添加新参与者 按钮，在心肺功能仪软件中输入参与者信息（姓名、体重、身高、出生日期 、性别）以及心肺功能仪面罩的尺寸。
  4. 在安装加速度计软件的笔记本电脑上，将加速度计连接至 USB 端口，点击 初始化 按钮，并在子菜单中选择 常规初始化，以输入所需志愿者的信息（姓名、体重、身高、出生日期、利手、性别）、用于同步的使用时间以及身体佩戴位置（手腕或腰部）。
  5. 将设备采样率（活动监测器每秒记录数据的次数）设置为 100 Hz。
  6. 完成初始化参数表单后，选择 输入受试者信息，然后选择 初始化 1 个设备。屏幕上的进度条将显示初始化过程的完成情况（此过程的关键是加速度计的电池电量必须至少达到 80%）。
  7. 随后，拔下加速度计并盖上 USB 塞帽。设备将在设定的开始时间到达后自动开始采集数据，并持续采集直至达到停止时间。
  8. 准备清洁且尺寸最适合志愿者的面罩，对面罩进行漏气测试，并将其连接至便携式心肺功能仪。
  9. 将心率监测器连接至心肺功能仪软件，将加速度计佩戴于右手腕和腰部，并连接便携式心肺功能仪。点击 设备设置 按钮，以确认心肺功能仪与蓝牙心率传感器的连接状态。
  10. 然后，点击 传感器调整 按钮，该步骤为每次测试前进行的环境气体校准。最后，点击 下一步 按钮进入下一个界面。
  11. 引导参与者到达跑道起点，在测试开始前需让其在椅子上静坐休息 3 分钟。
  12. 在移动设备上检查改良版递增往返步行测试（MISWT）的音频，确保音量合适，参与者能够清晰听到10。

3. 测试说明

  1. 指导受试者静坐在椅子上，保持不动、不说话，并正常呼吸，以此标记便携式心肺功能测试仪和加速度计记录静息状态基线数据的起始点。
    注意：采集 3–5 分钟的基线数据；此期间可同时执行步骤 3.2。
  2. 播放 MISWT 音频，向志愿者展示如何根据声音信号以相应速度行走 10 米（场地跑道每 10 米设有标记），并使行走速度与声音信号同步。
    注意：如有需要，可重复播放以确保理解。
  3. 随后，让受试者站起，并在两名研究人员的陪同下开始测试，从椅子旁移开以避免阻碍跑道。
    注意：此处需要两名研究人员。研究者 1 携带播放 MISWT 音频的移动设备，用于在测试过程中每 1 分钟递增一次速度；研究者 2 负责操作心肺功能测试仪的笔记本电脑。

4. 测试的执行

  1. 研究者1：让受试者开始测试，并通过MISWT音频帮助引导受试者的行走速度，按照测试设定的递增节奏进行，直至MISWT音频结束。
    注意：行走-慢跑测试起始速度为0.84 m/s，每1分钟递增一次，最后一阶段达到2.37 m/s的慢跑速度。测试过程中无休息时间。
  2. 研究者2：在研究者1开始测试的同时，点击装有运动心肺功能测试软件的笔记本电脑上的开始测试按钮；随后每当MISWT音频提示速度增加时，点击添加文本按钮。
  3. 音频结束后，要求受试者坐下并保持静止，不要说话，正常呼吸2分钟，以此标记测试的终点。
  4. 2分钟后，点击方形符号以停止测量，取下设备，并在运动心肺功能测试软件中结束数据采集。

5. 审核与数据提取

  1. 查看心肺功能测试仪软件中的数据，确保所采集的氧气消耗量（VO2）、呼出二氧化碳量（VCO2）和每分钟通气量（VE）数据对本项目而言可靠。在笔记本电脑上完成测试后，点击下一步按钮，然后点击平滑按钮，以对每10秒获取的数据进行平均处理。
  2. 将加速度计的数据下载至体力活动分析软件，以确认所采集的数据可靠；此前需使用USB线缆将加速度计连接至笔记本电脑。下载加速度计记录时，选择10秒的 epoch 长度（即原始加速度数据的时间段）。
  3. 下载包含数据的加速度计文件和间接测热法文件，并手动将其转录至统计分析软件文件中。

6. 仪器设备储存

  1. 当天所有测量完成后，妥善存放设备。
  2. 将污染物品与清洁物品分开。
  3. 用清水和肥皂清洗污染物品，并使其自然风干。

7. 数据分析

  1. 通过心肺运动测试仪软件中的通气阈值分析窗口，利用间接测热法文件，分别采用VSlope法（VO2/VCO2散点图斜率的变化）和VCO2/VE（二氧化碳排出量/每分钟通气量）散点图斜率增加的方法，估算每位受试者的通气阈值1（VT1）和通气阈值2（VT2）。
  2. 根据步骤7.1获得的数据，在数据库中记录受试者达到VT1和VT2时对应的速度。
  3. 在加速度计软件中，打开腰部和手腕记录的日志文件以获取计数值。将这些数据复制并转移至电子表格，并对测试每个阶段最后30秒的数据进行平均处理。
  4. 使用开源统计软件进行描述性统计和推论性统计分析（配对样本t检验、组内相关系数和Cohen's D）。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

计算得出需要24名志愿者的样本量，以观察到1,000 CPM的差异。共招募了35名女性志愿者，均为本科女大学生，年龄为22.4（± 1.9）岁，体重为62.2（± 11.3）kg，体重指数为24.5（± 4.3）kg/m2。所有患有呼吸系统合并症或急性肌肉骨骼损伤且可能影响活动表现的志愿者均被排除在研究之外。

关于数据分布，我们通过Shapiro-Wilks检验发现所有变量均呈正态分布（p > 0.05）。在测试速度超过1.86 m/s的阶段，加速度计记录之间存在显著差异，配对T检验分析显示在2.03 m/s（Cohen's D 1.01）、2.20 m/s（Cohen's D 1.69）和2.37 m/s（Cohen's D 2.11）时具有效应量。

阶段

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们的结果表明，通过间接测热法和加速度计评估的递增式体力活动强度存在差异。更值得注意的是，在测试较高速度阶段，从腕部和腰部佩戴的三轴加速度计所收集的CPM数据之间也存在统计学上的显著差异。这些发现与以往的研究报告相似，已有研究显示，当加速度计设备佩戴于不同解剖位置时，其数据之间的一致性较差11,12,13。

应通过间接测热法评估更具体地确定体力活动的强度，并以通气阈值作为区分不同体力活动强度区间的最可靠方法14,15，尤其是在评估具有不同体能状况的个体时（例如，以5 km/h的速度行走对健康人而言可能是中等强度体力活动，但对慢性阻塞性肺疾病或心力衰竭患者而言，以相同速度行走可能属于极高强度体力活动）。

本研究的主要优势在于，我...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明不存在利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们感谢参与本研究的志愿者。最后，我们还要感谢化学与药学体育协调员，为测试的实施提供了便利的场地。本研究未获得任何外部资金支持。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
加速度计软件ActigraphActilife 6.0用于分析加速度计记录信息的软件
校准气体CortexN/A含有低氧高碳酸气体混合物的气囊，用于校准运动心肺功能仪的气体传感器
校准泵CortexN/A3 L 注射器，用于校准涡轮以评估每分钟通气量
运动心肺功能仪CortexMetamax 3B便携式间接热量测定仪，用于记录氧气消耗量、二氧化碳生成量和每分钟通气量
心率胸带PolarH10与运动心肺功能仪同步的蓝牙发射器
Metasoft Studio 软件CortexN/A用于分析运动心肺功能仪数据的软件
便携式扬声器JBLGo essential蓝牙便携式扬声器，用于播放音频信号以控制行走-慢跑速度
统计软件Jamovi2.3.28基于 R 统计语言开发的开源统计软件
三轴加速度计ActigraphGT3-X用于检测三个轴向上加速度变化的设备，测量单位为每分钟计数（CPM）

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Swift, D. L., et al. The effects of exercise and physical activity on weight loss and maintenance. Prog Cardiovasc Dis. 61 (2), 206-213 (2018).
  2. Watson, K. B., Carlson, S. A., Carroll, D. D., Fulton, J. E. Comparison of accelerometer cut points to estimate physical activity in US adults. J Sports Sci. 32 (7), 660-669 (2013).
  3. Herrera-Valenzuela, T., et al. Relation between VT1, VT2, and VO2max with the special wrestling fitness test in youth wrestlers: a short report. Int J Environ Res Public Health. 20 (3), 2570(2023).
  4. Whitcher, L., Papadopoulos, C. Accelerometer derived activity counts and oxygen consumption between young and older individuals. J Aging Res. 2014, 184693(2014).
  5. Cordero, M. J. A., et al. Accelerometer description as a method to assess physical activity in different periods of life; systematic review. Nutr Hosp. 29 (6), 1250-1261 (2014).
  6. Sagelv, E. H., et al. Physical activity levels in adults and elderly from triaxial and uniaxial accelerometry: the Tromsø study. PLoS One. 14 (12), e0225670(2019).
  7. Howe, C. C. F., Moir, H. J., Easton, C. Classification of physical activity cutpoints and estimating energy expenditure during walking using the GT3X+ accelerometer in overweight and obese adults. Meas Phys Educ Exerc Sci. 21 (3), 127-133 (2017).
  8. Sasaki, J. E., John, D., Freedson, P. S. Validation and comparison of ActiGraph activity monitors. J Sci Med Sport. 14 (5), 411-416 (2011).
  9. Vähä-Ypyä, H., et al. Performance of different accelerometry-based metrics to estimate oxygen consumption during track and treadmill locomotion over a wide intensity range. Sensors. 23 (11), 5073(2023).
  10. Wise, R. A., Brown, C. D. Minimal clinically important differences in the six-minute walk test and the incremental shuttle walking test. COPD J Chronic Obstr Pulm Dis. 2 (1), 125-129 (2005).
  11. Mielke, G. I., et al. Absolute intensity thresholds for tri-axial wrist and waist accelerometer-measured movement behaviors in adults. Scand J Med Sci Sports. 33 (9), 1752-1764 (2023).
  12. Migueles, J. H., et al. Comparability of accelerometer signal aggregation metrics across placements and dominant wrist cut points for the assessment of physical activity in adults. Sci Rep. 9 (1), 18235(2019).
  13. Rosenberger, M. E., et al. Estimating activity and sedentary behavior from an accelerometer on the hip or wrist. Med Sci Sports Exerc. 45 (5), 964-975 (2013).
  14. MacIntosh, B. R., Murias, J. M., Keir, D. A., Weir, J. M. What is moderate to vigorous exercise intensity. Front Physiol. 12, 682233(2021).
  15. Iannetta, D., et al. Evaluating the accuracy of using fixed ranges of METs to categorize exertional intensity in a heterogeneous group of healthy individuals: implications for cardiorespiratory fitness and health outcomes. Sports Med. 51 (11), 2411-2421 (2021).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章