使用加速度计和氧气消耗评估身体活动强度

本研究探讨了来自腰部和手腕的加速度计数据与氧气消耗评估之间的一致性水平。

最新研究显示，身体活动强度对于获得健康益处至关重要。然而，相同的步行速度可能因个体体能状况不同而代表不同的运动强度。

一项重要的实验和挑战是调整运动干预措施，以匹配患有不同非传染性疾病的个体的身体健康水平。这对卫生专业人员构成了重大困难。

本研究旨在解决在递增式走跑测试中识别通气阈值一（定义剧烈体力活动起始的金标准）的现有空白，并将其与加速度计记录结果进行比较。

该方案结合了氧气消耗测定——评估体力活动强度的实验室金标准，与加速度计记录——目前最常用的客观现场检测方法。研究发现，在最高步行速度下，加速度计数据存在显著差异。

[旁白] 首先，将便携式心肺功能仪与背带组装，并将加速度计固定在魔术贴绑带上。设置蓝牙心率监测器。在步行/慢跑跑道外，按下软件界面上的校准按钮，对便携式心肺功能仪的气体和流量计进行校准。然后在气体校准窗口中按下“开始校准步骤一”，以评估空气中氧气和二氧化碳的浓度。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“步骤二”，以评估校准瓶中氧气和二氧化碳的浓度。现在将流量计连接至一个3升校准注射器。在流量计校准窗口中按下“开始校准”。将注射器活塞推拉完成五个完整循环，以达到稳定的气流。接下来，在心肺功能仪软件中点击“添加新受试者”，并输入受试者信息。在装有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”，并输入所需志愿者的数据、用于同步的使用时间以及身体佩戴位置信息。将设备采样率设置为100赫兹。拔下加速度计，并盖上USB保护帽。准备适合志愿者佩戴的清洁面罩。完成气密性测试后，将选定的面罩连接至心肺功能仪。将心率监测器连接至心肺功能仪软件。将加速度计分别固定在受试者的右手腕和腰部，并连接心肺功能仪。按下设备设置按钮，确认心肺功能仪与蓝牙心率传感器的连接状态。现在按下“启动传感器调整”按钮，进行环境气体校准。引导受试者到达跑道起点。在移动设备上检查改良版递增往返步行测试音频的音量，确保受试者能清晰听到。指导受试者保持静坐状态，避免说话，并正常呼吸，以开始便携式心肺功能仪和加速度计的基线测量。播放改良版步行测试音频，演示如何根据声音信号以相应速度行走，完成10米跑道，使步行速度与声音信号同步。允许受试者站立，并在两名研究人员的陪同下开始测试，同时从椅子旁移开以清出通道。让受试者开始测试，并通过改良版步行测试音频协助引导其步行节奏。按照测试逐步递增的速度进行，直至改良版步行测试音频结束。在研究者一同时按下心肺功能仪软件上的“开始测试”按钮，并在每次速度提升时（由改良版步行测试音频提示），点击“添加文本”进行标记。测试结束后，指示受试者坐下并保持安静，正常呼吸两分钟，以完成数据采集。两分钟后，按下方形符号停止记录，并开始从受试者身上移除所有设备，同时在笔记本电脑和心肺功能仪软件中结束数据收集。在心肺功能仪软件中查看数据，确保所采集的氧气消耗量、呼出二氧化碳量和每分钟通气量数据对本项目而言可靠；随后点击“下一步”按钮，再点击“平滑”按钮，将数据以每10秒为一个区间进行平均处理。使用USB线缆将加速度计连接至笔记本电脑，并将数据下载至体力活动分析软件。下载加速度计数据时，选择10秒作为epoch长度。下载加速度计和间接测热法数据文件，并手动将信息转录至统计分析软件电子表格中。在心肺功能仪软件中，为每个间接测热法数据文件打开通气阈值窗口。通过氧耗量与二氧化碳产量散点图斜率的变化，识别第一通气阈值。然后检查二氧化碳产量与每分钟通气量的散点图，根据斜率的增加确定第二通气阈值。将对应于第一和第二通气阈值时受试者的步行速度登记至数据库中。现在从腕部加速度计的日志文件中提取计数数据，将这些计数值转入电子表格，并对每个测试阶段最后30秒的数据进行平均。使用开源统计软件进行描述性与推断性统计分析，例如配对样本t检验、组内相关系数和Cohen's D。该图展示了比较腕部与腰部佩戴加速度计的Bland-Altman图，结果显示在3.6千米/小时时每分钟计数的一致性较差，表明活动测量存在佩戴位置相关的变异性。此外，未发现每分钟计数与绝对氧耗量之间存在显著相关性，提示仅凭加速度计佩戴位置难以提供有效的代谢信息。然而，随着测试速度的增加，氧耗量和加速度计每分钟计数均呈上升趋势，反映了机体对更高运动强度的预期生理反应。在较高速度下，腕部佩戴的加速度计每分钟计数的上升幅度较腰部设备更为陡峭，提示腕部佩戴可能导致运动量的高估。