Beurteilung der körperlichen Aktivitätsintensität mit Beschleunigungssensoren und Sauerstoffverbrauch

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein Protokoll zur Bewertung der Intensität der körperlichen Aktivität vor, das mit indirekter Kalorimetrie und zwei Beschleunigungsmessern (am rechten Handgelenk und an der Taille) während eines inkrementellen Geh-Jogging-Tests (von 0,84 bis 2,37 m/s) auf einer ovalen Bahn gemessen wurde. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede in der körperlichen Intensität, die mit diesen Methoden gemessen wird.

Zusammenfassung

Die Studie vergleicht objektive Methoden zur Beurteilung der Intensität körperlicher Aktivität. Ziel war es, die Unterschiede in der Intensität der körperlichen Aktivität zu identifizieren, die durch indirekte Kalorimetrie und triaxiale Beschleunigungsmessung an Handgelenk und Taille gemessen wurden, wobei die Zählgrenzwerte für die Beschleunigungssensoren und die Beatmungsschwelle eins (VT1) und zwei (VT2) verwendet wurden. Bei dieser Studie handelt es sich um eine analytische Querschnittsstudie von Universitätsfrauen (n = 35, 22,4 ± 1,9 Jahre alt). Triaxiale Beschleunigungssensoren und tragbare Ergospirometrie wurden während eines inkrementellen standardisierten Geh-Jogging-Tests auf einer ovalen Bahn von 160 m Länge (Geschwindigkeitsabstufungen im Minutentakt mit einem akustischen Signal von 0,84 m/s bis 2,37 m/s) eingesetzt. Während des Tests wurden Daten zur Beschleunigungsmessung (von Handgelenk und Hüfte), zum Sauerstoffverbrauch und zur Beatmungsreaktion gesammelt. VT1 und VT2 wurden durch VSlope (VO₂/VCO₂) bzw. Kohlendioxidproduktion/Minutenbeatmung (VCO₂/VE) geschätzt. Zum Einsatz kam eine Open-Source-Statistiksoftware. Alle Teilnehmer konnten den Test beenden. VT1 wurde in Stadium 2 (n = 5), Stadium 3 (n = 5), Stadium 4 (n = 3), Stadium 5 (n = 8), Stadium 6 (n = 5), Stadium 7 (n = 3), Stadium 8 (n = 1) und im Stadium 9 (n = 5) gefunden. VT2 wurde während des inkrementellen Tests nur bei 9 Probanden gefunden, in Stadium 7 (n = 2), in Stadium 8 (n = 3), Stadium 9 (n = 2) und Stadium 10 (n = 2). Unterschiede zwischen den Messungen des Handgelenk- und Hüftbeschleunigungsmessers wurden in höheren Intensitätsstufen des Tests beobachtet. Höhere PA-Intensitätsmessungen wurden im Handgelenk gefunden, hauptsächlich oberhalb von VT1. Außerdem gab es Unterschiede zwischen der Intensität der körperlichen Aktivität, die von Beschleunigungsmessern und VT1 und VT2 erfasst wurde. Die häufig verwendeten Methoden zur Beurteilung der Intensität körperlicher Aktivität zeigen keine Übereinstimmung bei der Identifizierung der Geschwindigkeit, mit der eine starke körperliche Aktivität während eines inkrementellen Tests beginnt.

Einleitung

Regelmäßige körperliche Aktivität (PA) hat mehrere gesundheitliche Vorteile und verringert das Risiko, an verschiedenen nicht übertragbaren Krankheiten zu erkranken¹. Diese Effekte hängen jedoch von der Intensität ab, mit der körperliche Aktivität ausgeführt wird (d. h. leicht, mäßig oder stark)². Um diese Anstrengungsniveaus zu erreichen, können sie mit einem kardiopulmonalen Belastungstest (CPET) bewertet werden. Dies ermöglicht es uns, die Funktion des kardiorespiratorischen Systems zu objektivieren, um seine PA-Intensitätsstufen auf der Grundlage der Beatmungsschwellen (VT) zu objektivieren, die der Goldstandard sind, um den Übergang von leichtem zu mäßigem oder kräftigem PA³ zu unterscheiden.

Beschleunigungssensoren sind tragbare Geräte, die die Beschleunigungen des Körpersegments auf verschiedenen Achsen messen, an denen der Monitor befestigt ist⁴. Der Beschleunigungsmesser misst die PA-Intensität in einer beliebigen Einheit, die als Anzahl pro Minute (CPM) bezeichnet wird. Die Menge und Intensität von PA kann durch Klassifizierung von Zählungen ermittelt werden, einem Maß, das die Beschleunigung innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls (Epoche) mit einer Reihe von Grenzwerten, d. h. Intensitätsschwellen für die PA-Intensitätsklassifizierung⁴, quantifiziert. Leichte PA bei gesunden Menschen entspricht in der Regel Aktivitäten wie Gehen mit weniger als 3,2 km/h und Aufwärmspielen. Moderate PA umfasst Aktivitäten wie Gehen mit mehr als 3,2 km/h und Aerobic-Spiele. Zu guter Letzt umfasst eine kräftige Sportaktivität Laufen und hochintensive Spiele⁵.

Die Beschleunigungsmessung liefert zwar quantifizierbare Daten, diese variieren jedoch je nach Art der verwendeten Beschleunigungssensoren oder ihrer Positionierung am Körper⁶. Die traditionellen Grenzwerte zur Identifizierung der verschiedenen Intensitätsgrade von PA wurden auf der Grundlage von Daten von normalgewichtigen Probanden vorgeschlagen⁷ und wurden zuvor sogar bei hospitalisierten Patienten verwendet⁴. Bei Erwachsenen liegen die Grenzwerte in der Regel bei 0-2689 CPM (leichte PA), 2690-6166 CPM (moderate PA), 6167-9642 CPM (starke PA) und 9643 und darüber CPM (sehr starke PA)⁸.

Es ist nicht bekannt, ob die mit einem triaxialen Beschleunigungsmesser identifizierte PA-Intensität der Intensität entspricht, die durch die Beatmungsschwellen (VT1 und VT2) während einer CPET erfasst wurde. Das Ziel dieser Studie war es daher, die Intensität der körperlichen Aktivität zu bewerten, die durch indirekte Kalorimetrie und Beschleunigungsmessung an Handgelenken und Hüften während eines inkrementellen Geh-Jogging-Tests auf einer ovalen Bahn gemessen wurde, und die Übereinstimmung zwischen diesen Bewertungsmethoden bei jungen gesunden Frauen^{zu untersuchen 9}.

Protokoll

Die Forschung wurde in Übereinstimmung mit institutionellen und internationalen Richtlinien durchgeführt und vom Ausschuss für Ethik und Forschung am Menschen der Institution genehmigt.

1. Rekrutierung des Teilnehmers

1. Verwenden Sie Poster und senden Sie einen elektronischen Flyer an das institutionelle Intranet der Studenten, um potenzielle Teilnehmer unter den Universitätsstudenten einzuladen.
2. Stellen Sie eine Einwilligungserklärung zur Verfügung und erläutern Sie potenziellen Teilnehmern das Projekt.
3. Beurteilen Sie die Einschluss- (gesunde Frauen im Alter von 18 bis 40 Jahren) und den Ausschluss (selbstberichtete Herzrhythmusstörungen, schwere Herz-Kreislauf-Erkrankungen, chronische Nierenerkrankungen, chronisch obstruktive Lungenerkrankungen, Verwendung von Betablockern oder Muskel-Skelett-Erkrankungen, die den Test beeinträchtigen könnten) und wenden Sie den Pre-Participation Screening Questionnaire der American Heart Association (AHA) / des American College of Sports Medicine (ACSM) an.
4. Sobald der Freiwillige der Teilnahme zustimmt und die Einverständniserklärung unterschrieben hat, geben Sie dem Teilnehmer ein Exemplar zurück und bewahren Sie ein weiteres Exemplar beim Leiter des Forschungsteams auf.
5. Koordinieren Sie das Datum und die Uhrzeit für die Auswertung. Bitten Sie die Probanden, vor dem Test mindestens 3 Stunden lang zu fasten. Bitten Sie sie, bequeme Kleidung zu tragen, keine koffeinhaltigen und alkoholischen Getränke zu trinken und in den letzten 24 Stunden keine intensiven körperlichen Übungen zu machen.
6. Führen Sie Gewichts- und Größenbewertungen jedes Teilnehmers in einem Raum mit kontrollierter Temperatur durch.

2. Vorbereitung der Messgeräte

1. Montieren Sie das tragbare Ergospirometer mit dem Gurt, befestigen Sie die Beschleunigungssensoren an den Klettverschlüssen und richten Sie den Bluetooth-Herzfrequenzmesser ein.
2. Kalibrieren Sie die Gase und den Durchflussmesser des tragbaren Ergospirometers außerhalb der Geh-/Joggingstrecke.
   1. Um dies zu tun, drücken Sie die Taste Kalibrieren auf dem Softwarebildschirm. Drücken Sie dann die Taste Schritt 1 am Gaskalibrierfenster, um die Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Luft zu beurteilen.
   2. Sobald Schritt 1 abgeschlossen ist, schließen Sie eine Gaskalibrierflasche an die Leitung des Gasanalysators an. Drücken Sie die Taste Schritt 2 am Gaskalibrierfenster, um die Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Kalibrierflasche zu beurteilen (15 % Sauerstoff, 4 % Kohlendioxid und Ausgleichsstickstoff).
   3. Nach erfolgreicher Gaskalibrierung schließen Sie den Durchflussmesser an eine 3-Liter-Kalibrierspritze an. Drücken Sie die Taste Kalibrierung starten im Kalibrierungsfenster des Durchflussmessers auf dem Softwarebildschirm.
   4. Bewegen Sie dann den beweglichen Teil der Spritze durch den gesamten Bereich und versuchen Sie, einen stabilen Luftstrom für 5 Zyklen zu erreichen. Wenn der erforderliche Durchfluss erreicht ist, erscheint der Bildschirm mit einem blauen und einem roten Balken, der anzeigt, dass der richtige Durchfluss erreicht wurde.
3. Fügen Sie die Teilnehmerdaten (Name, Gewicht, Größe, Geburtsdatum, Geschlecht) und die Größe der Ergoespirometer-Maske zur Ergoespirometer-Software hinzu, indem Sie auf die Schaltfläche Neuen Teilnehmer hinzufügen klicken.
4. Schließen Sie den Beschleunigungsmesser auf dem Laptop mit der Beschleunigungsmesser-Software an einen USB-Anschluss an, drücken Sie die Initialisierungstaste und wählen Sie im Untermenü die Option Reguläre Initialisierung , um die erforderlichen Daten des Freiwilligen (Name, Gewicht, Größe, Geburtsdatum, Dominanz und Geschlecht), die Nutzungszeit für Synchronisationszwecke und die Körperposition (Handgelenk oder Taille) hinzuzufügen.
5. Wählen Sie die Abtastrate des Geräts (die Anzahl der Male pro Sekunde, die der Aktivitätsmonitor Daten aufzeichnet) auf 100 Hz aus.
6. Nachdem Sie das Formular für die Initialisierungsparameter ausgefüllt haben, wählen Sie Betreffinformationen eingeben aus. Wählen Sie 1 Gerät initialisieren. Ein Fortschrittsbalken auf dem Bildschirm zeigt an, wann der Initialisierungsvorgang abgeschlossen ist (ein kritischer Teil dieses Prozesses besteht darin, dass der Beschleunigungsmesser mindestens eine Batterie mit 80 % geladen haben muss).
7. Ziehen Sie dann den Beschleunigungsmesser aus der Steckdose und setzen Sie die USB-Kappe wieder auf. Das Gerät beginnt mit der Datenerfassung, wenn die ausgewählte Startzeit abgelaufen ist, und setzt die Datenerfassung fort, bis die Stoppzeit eintritt.
8. Bereiten Sie saubere Masken in der Größe vor, die am besten für den Freiwilligen geeignet ist, führen Sie einen Luftdichtheitstest an der Maske durch und schließen Sie sie an das tragbare Ergospirometer an.
9. Verbinden Sie den Herzfrequenzmesser mit der Ergoespirometer-Software, den Beschleunigungsmessern am rechten Handgelenk und der rechten Taille und dem tragbaren Ergospirometer. Drücken Sie die Taste Device Setup , um die Verbindung zwischen dem Ergospirometer und dem Bluetooth-Herzfrequenzsensor zu überprüfen.
10. Drücken Sie dann die Taste für die Sensoreinstellung , bei der es sich um einen Schritt zur Kalibrierung von Umgebungsgasen handelt, der vor jedem Test durchgeführt wird. Drücken Sie abschließend die Schaltfläche Weiter , um auf den nächsten Bildschirm zuzugreifen.
11. Bringen Sie den Teilnehmer zum Startpunkt auf der Strecke, wo der Teilnehmer vor Beginn der Prüfung 3 min sitzen bleiben und sich auf einem Stuhl ausruhen muss.
12. Überprüfen Sie den Ton des Modified Incremental Shuttle Walking Test Modified (MISWT) auf einem Mobilgerät, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer die richtige Lautstärke hört¹⁰.

3. Erläuterung des Tests

1. Weisen Sie den Teilnehmer an, still auf dem Stuhl zu bleiben, ohne zu sprechen, und normal zu atmen, um den Ausgangspunkt für die Basismessungen des tragbaren Ergospirometers und die Inaktivität der Beschleunigungssensoren zu markieren.
   HINWEIS: Nehmen Sie 3-5 Minuten lang Basisdaten auf; Nutzen Sie diese Zeit, um Schritt 3.2 durchzuführen.
2. Spielen Sie den Ton für das MISWT ab, um dem Freiwilligen die Gehgeschwindigkeit zu zeigen, indem er dem Tonsignal folgt, um 10 m zurückzulegen (der Feldweg ist alle 10 m markiert), und synchronisieren Sie die Geschwindigkeit des Gehvorgangs mit dem Tonsignal.
   HINWEIS: Wiederholen Sie den Vorgang nach Bedarf, um das Verständnis zu verbessern.
3. Lassen Sie dann den Teilnehmer aufstehen und zusammen mit zwei Forschern den Test beginnen, indem Sie vom Stuhl zur Seite treten, um die Bahn nicht zu behindern.
   HINWEIS: Hier sind zwei Forscher erforderlich. Forscher 1 trägt das Mobilgerät mit dem MISWP-Audio, um die Geschwindigkeit des Tests in Schritten alle 1 Minute zu steuern. Researcher 2 auf dem Ergoespirometer-Laptop.

4. Durchführung des Tests

1. Forscher 1: Lassen Sie den Teilnehmer den Test starten und helfen Sie ihm, das Gehtempo des Teilnehmers mit dem MISWP-Audio zu steuern, indem Sie dem inkrementellen Tempo des Tests bis zum Ende des MISWP-Audios folgen.
   HINWEIS: Der Geh-Jogging-Test beginnt bei 0,84 m/s mit Schritten alle 1 min, und die letzte Stufe erreicht eine Jogginggeschwindigkeit von 2,37 m/s. Während des Tests gibt es keine Ruhe.
2. Forscher 2: Drücken Sie die Start-Test-Taste auf dem Laptop mit der Ergospirometer-Software gleichzeitig mit Forscher-1 und drücken Sie dann die Schaltfläche Text hinzufügen bei jeder Geschwindigkeitserhöhung, die durch das MISWP-Audio angezeigt wird.
3. Sobald das Audio beendet ist, bitten Sie den Teilnehmer, sich hinzusetzen und still zu bleiben, ohne zu sprechen, und 2 Minuten lang normal zu atmen, um den Endpunkt des Tests zu markieren.
4. Drücken Sie nach 2 Minuten das Quadrat-Symbol, um die Messungen zu stoppen und das Gerät zu entfernen, und schließen Sie die Datenerfassung auf dem Laptop in der Ergospirometer-Software ab.

5. Überprüfung und Datenextraktion

1. Überprüfen Sie die Daten in der Ergospirometer-Software, um sicherzustellen, dass die gesammelten Daten des Sauerstoffverbrauchs (VO₂), des ausgeatmeten Kohlendioxids (VCO₂) und der Minutenbeatmung (VE) für das Projekt zuverlässig sind. Nachdem Sie den Test auf dem Laptop abgeschlossen haben, drücken Sie die Schaltfläche Weiter und dann die Taste Glätten , um den Durchschnitt der alle 10 s erhaltenen Daten zu erhalten.
2. Laden Sie die Daten des Beschleunigungsmessers in die Software für körperliche Aktivität herunter, um zu überprüfen, ob die gesammelten Daten zuverlässig sind, nachdem Sie den Beschleunigungsmesser zuvor über das USB-Kabel mit dem Laptop verbunden haben. Wählen Sie beim Herunterladen des Beschleunigungsmesser-Datensatzes eine Epochenlänge (Zeitspanne der rohen Beschleunigungsdaten) von 10 s aus.
3. Laden Sie die Dateien mit den Daten des Beschleunigungsmessers und der indirekten Kalorimetrie herunter und transkribieren Sie sie manuell in die Datei der Statistiksoftware.

6. Lagerung der Ausrüstung

1. Nachdem alle Messungen für den Tag abgeschlossen sind, lagern Sie das Gerät ordnungsgemäß.
2. Trennen Sie schmutzige von sauberen Materialien.
3. Reinigen Sie verschmutzte Materialien mit Wasser und Seife und lassen Sie sie an der Luft trocknen.

7. Datenanalyse

1. Schätzen Sie die Beatmungsschwelle 1 (VT1) und die Beatmungsschwelle 2 (VT2) jedes Teilnehmers durch VSlope (die Änderung der Steigung eines Streudiagramms von VO₂/VCO₂) und die Zunahme der Steigung eines Streudiagramms der Kohlendioxidproduktion/Minutenbeatmung (VCO₂/VE) mit dem Fenster Beatmungsschwelle der Ergospirometer-Software bzw. aus jeder indirekten Kalorimetriedatei.
2. Registrieren Sie anhand der in Schritt 7.1 erhaltenen Daten die Geschwindigkeit des Probanden, bei dem VT1 und VT2 in der Datenbank gefunden wurden.
3. Öffnen Sie in der Beschleunigungsmesser-Software die Protokolldatei für die Taillen- und Handgelenksaufzeichnungen, um die Zählungen zu erhalten. Kopieren Sie diese und übertragen Sie sie in eine Tabelle, aus der sie über die letzten 30 s jeder Testphase gemittelt werden.
4. Wenden Sie deskriptive und inferenzielle Statistiken (Paired Student's T-Test, Intraclass Correlation Coefficient und Cohen's D) mit Open-Source-Statistiksoftware an.

Ergebnisse

Eine Stichprobengröße von 24 Freiwilligen wurde berechnet, um einen Unterschied von 1.000 CPM zu beobachten. Frauen (n = 35) wurden aus Studentinnen im Grundstudium mit einem Alter von 22,4 (± 1,9) Jahren, einem Gewicht von 62,2 (± 11,3) kg und einem Body-Mass-Index von 24,5 (± 4,3) kg/m² rekrutiert. Alle Probanden mit respiratorischen Komorbiditäten und akuten Muskel-Skelett-Verletzungen, die die Leistung der Aktivität beeinflussten, wurden von der Studie ausgeschlossen.

Diskussion

Unsere Ergebnisse zeigen Unterschiede zwischen der Intensität einer inkrementellen körperlichen Aktivität, die durch indirekte Kalorimetrie und Beschleunigungsmessung gemessen wird. Darüber hinaus gibt es statistisch signifikante Unterschiede zwischen CPM-Daten, die von dreiachsigen Beschleunigungsmessern am Handgelenk und an der Hüfte bei höheren Geschwindigkeiten des Tests gesammelt wurden. Diese Ergebnisse ähneln früheren Berichten, in denen gezeigt wurde, dass es keine gute Übereinst...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Beschleunigungssensor-Software	Actigraph	Actilife 6.0	Software für die Analyse der aufgezeichneten Informationen, die in den Beschleunigungsmessern aufgezeichnet
sind Kalibrierungsgase	Cortex	N/A	Ballon mit einer hypoxischen und hyperkapnischen Lösung von Gasen. Es wird zur Kalibrierung der Gaszellen des Ergoespirometers
Kalibrierpumpe	Cortex	N/A	Spritze von 3 l verwendet, zur Kalibrierung der Turbine zur Beurteilung der Minutenbeatmung
Ergoespirometer	Cortex	Metamax 3B	Tragbares indirektes Kalorimeter zur Erfassung des Sauerstoffverbrauchs, der Kohlendioxidproduktion und der Minutenbeatmung.
Herzfrequenz-Brustband	Polar	H10	Bluetooth-Sender, synchronisiert mit dem Ergoespirometer
Metasoft Studio	Cortex	N/A	Software für die Analyse des Ergoespirometers
Tragbarer Lautsprecher	JBL	Go Essential	Tragbarer Bluetooth-Lautsprecher zur Wiedergabe des Audiosignals zur Steuerung der Geh-Jogging-Geschwindigkeit
Statistische Software	Jamovi	2.3.28	Open-Source-Statistiksoftware, die auf der Statistiksprache R aufbaut
Triaxialer Beschleunigungssensor	Actigraph	GT3-X	Gerät für Beschleunigungsmesseränderungen in drei Achsen. Die Maßeinheit ist die Anzahl pro Minute (CPM)