加速度計による身体活動強度の評価と酸素消費量

サマリー

ここでは、楕円形のトラックでのインクリメンタルウォーキングジョギングテスト(0.84〜2.37 m / s)中に、間接熱量測定と2つの加速度計(右手首と腰)で測定された身体活動強度レベルを評価するためのプロトコルを紹介します。その結果、これらの方法で評価された身体強度に違いが見られます。

要約

この研究では、身体活動の強度を評価する客観的な方法を比較しています。目標は、加速度計のカウントカットオフポイントと換気閾値1(VT1)と換気閾値2(VT2)を使用して、手首と腰の間接熱量測定と三軸加速度測定によって測定された身体活動強度の違いを特定することでした。本研究は、大学生女性(n = 35、22.4 ± 1.9歳)を対象とした横断的分析研究である。長さ160mの楕円形のトラックでの段階的な標準化されたウォーキングジョギングテストでは、3軸加速度計とポータブルエルゴスピロメトリーが使用されました(速度は0.84 m/sから2.37 m/sの可聴信号で毎分増加します)。加速度計(手首と腰から)、酸素消費量、および換気反応のデータがテスト中に収集されました。VT1 と VT2 は、それぞれ VSlope (VO₂/VCO₂) と二酸化炭素生成/分ベンチレーション (VCO₂/VE) によって推定されました。オープンソースの統計ソフトウェアを使用しました。 参加者全員がテストを終えることができました。VT1は、ステージ2(n = 5)、ステージ3(n = 5)、ステージ4(n = 3)、ステージ5(n = 8)、ステージ6(n = 5)、ステージ7(n = 3)、ステージ8(n = 1)、およびステージ9(n = 5)で見つかりました。VT2は、ステージ7(n = 2)、ステージ8(n = 3)、ステージ9(n = 2)、およびステージ10(n = 2)の9人のボランティアでのみ、インクリメンタルテスト中に発見されました。手首と腰の加速度計の測定値の違いは、テストの高強度段階で観察されました。より高いPA強度の測定値は、主にVT1より上の手首で見られました。また、加速度センサーで検出される身体活動強度レベルとVT1およびVT2との間には違いがありました。身体活動強度を評価するために一般的に使用される方法は、インクリメンタルテスト中に激しい強度の身体活動が始まる速度を特定することにおいて一致を示していません。

概要

定期的な身体活動(PA)には複数の健康上の利点があり、さまざまな非感染性疾患を発症するリスクを軽減します¹。ただし、これらの影響は、身体活動が実行される強度(つまり、軽い、中程度、または^{激しい)に依存します}2。これらの努力レベルを取得するには、心肺運動負荷試験(CPET)を使用して評価できます。これにより、心肺システムの機能を客観化して、光から中等度または活発なPA^への通過を区別するためのゴールドスタンダードである換気閾値(VT)に基づいてPA強度レベルを客観化することができます3。

加速度計は、モニターが取り付けられているさまざまな軸上の体節の加速度を測定するウェアラブルデバイス^です4。加速度計は、1 分あたりのカウント (CPM) という任意の単位で PA 強度を測定します。PAの量および強度は、カウントを分類することによって得ることができ、これは、一連のカットポイント、すなわち、PA強度分類⁴の強度閾値を用いて特定の時間間隔(エポック)内の加速度を定量化する尺度である。健康な人の軽いPAは、通常、時速3.2km未満のウォーキングやウォームアップゲームなどの活動に対応します。中程度のPAには、時速3.2km以上のウォーキングや有酸素運動などのアクティビティが含まれます。最後に、激しいPAには、ランニングと高強度のゲームが含まれます⁵。

加速度計は定量化可能なデータを提供しますが、これらは使用する加速度計の種類や身体上の位置によって異なります⁶。PAの強度の異なるレベルを識別するための従来のカットオフポイントは、正常体重の被験者⁷で得られたデータから提案されており、以前に入院患者でも使用されてきました⁴。成人では、通常使用されるカットオフポイントは、0-2689 CPM(ライトPA)、2690-6166 CPM(中程度PA)、6167-9642 CPM(ビガリアPA)、および9643以上CPM(非常にビギラスPA)⁸です。

三軸加速度計で識別された PA 強度が、CPET 中に換気閾値 (VT1 および VT2) によって検出された強度に対応するかどうかは不明です。したがって、この研究の目的は、楕円形のトラックでのインクリメンタルウォーキングジョギングテスト中に、間接熱量測定と手首および腰に装着した加速度測定によって測定された身体活動強度レベルを評価し、若い^{健康な女性における}これらの評価方法間の一致を調べることでした9。

プロトコル

この研究は、機関および国際的なガイドラインに準拠して実施され、機関の倫理および人間の研究に関する委員会によって承認されました。

1. 参加者の募集

1. ポスターを使用し、電子チラシを学生の教育機関のイントラネットに送って、大学生の中から潜在的な参加者を招待します。
2. インフォームドコンセントフォームを提供し、潜在的な参加者にプロジェクトを説明します。
3. 包含 (健康な女性、18 歳から 40 歳) と除外 (自己申告による心不整脈、重度の心血管疾患、慢性腎臓病、慢性閉塞性肺疾患、ベータ遮断薬の使用、またはテストを損なう可能性のある筋骨格系の状態) 基準を評価し、米国心臓協会 (AHA)/米国スポーツ医学会 (ACSM) 参加前スクリーニング アンケートを適用します。
4. ボランティアが参加に同意し、インフォームドコンセントフォームに署名したら、1部を参加者に返却し、もう1部を研究チームのリーダーに保管します。
5. 評価の日時を調整します。被験者に、テストの前に少なくとも3時間絶食するように依頼します。快適な服装をし、カフェイン入りの飲み物やアルコール飲料を飲むのを控え、過去24時間にわたって激しい運動をしないように依頼してください。
6. 温度が制御された部屋にいるすべての参加者の体重と身長の評価を実行します。

2. 測定機器の準備

1. ポータブルエルゴスピロメーターをハーネスで組み立て、加速度計をベルクロストラップに取り付け、Bluetooth心拍数(HR)モニターをセットアップします。
2. ウォーキングジョギングトラックの外側にあるポータブルエルゴスピロメーターのガスと流量計を校正します。
   1. これを行うには、ソフトウェア画面の[ キャリブレーション ]ボタンを押します。次に、ガス校正ウィンドウの ステップ1 ボタンを押して、空気中の酸素と二酸化炭素の濃度を評価します。
   2. ステップ1が終了したら、ガス校正ボトルをガス分析器のラインに接続します。ガスキャリブレーションウィンドウの ステップ2 ボタンを押して、キャリブレーションボトル内の酸素と二酸化炭素の濃度を評価します(15%酸素、4%二酸化炭素、およびバランス窒素)。
   3. ガス校正が成功したら、流量計を3L校正シリンジに接続します。ソフトウェア画面の流量計校正ウィンドウで[ 校正開始 ]ボタンを押します。
   4. 次に、シリンジの可動部分を全範囲に動かして、5サイクルの安定した空気の流れに到達しようとします。必要なフローに達すると、正しいフローが達成されたことを示す青と赤のバーが画面に表示されます。
3. 「 新しい参加者を追加」ボタンを押して、参加者のデータ(名前、体重、身長、生年月日、性別)とエルゴエスパイロメーターマスクのサイズをエルゴエスパイロメーターソフトウェアに追加します。
4. 加速度計ソフトウェアを搭載したラップトップで、加速度計をUSBポートに接続し、[ 初期化 ]ボタンを押して、サブメニューから [定期的な初期化 ]を選択して、必要なボランティアのデータ(名前、体重、身長、生年月日、優位性、性別)、同期目的の使用時間、および体の配置(手首または腰)を追加します。
5. デバイスのサンプリング レート (アクティビティ モニターがデータを記録する 1 秒あたりの回数) を 100 Hz に選択します。
6. 初期化パラメータフォームに入力したら、「 サブジェクト情報の入力」を選択します。 [1 デバイスの初期化] を選択します。画面上の進行状況バーには、初期化プロセスが完了したタイミングが表示されます (このプロセスの重要な部分は、加速度計のバッテリーが少なくとも 80% 充電されている必要があるということです)。
7. 次に、加速度計のプラグを抜き、USBキャップを元に戻します。デバイスは、選択した開始時間が経過するとデータの収集を開始し、停止時間が発生するまでデータの収集を続けます。
8. ボランティアに最適なサイズの清潔なマスクを準備し、マスクからエアリークテストを行い、携帯型エルゴスピロメーターに接続します。
9. 心拍数モニターをエルゴエスパイロメーターソフトウェア、右手首と腰の加速度計、およびポータブルエルゴスピロメーターに接続します。 デバイスセットアップ ボタンを押して、エルゴスピロメーターとBluetoothHRセンサーの接続を確認します。
10. 次に、各テストの前に実行されるアンビエントガスキャリブレーションステップである センサー調整 ボタンを押します。最後に、[ 次へ ]ボタンを押して次の画面にアクセスします。
11. 参加者をトラックのスタート地点に連れて行き、テストを開始する前に3分間座ったまま椅子に座る必要があります。
12. モバイルデバイスでModified Incremental Shuttle Walking Test Modified(MISWT)の音声をチェックして、参加者¹⁰に聞こえる正しい音量を確認します。

3. テストの説明

1. 参加者に、話さずに椅子に座ったままで、通常どおりに呼吸して、ポータブルエルゴスピロメーターのベースライン測定の開始点と加速度計の非アクティブをマークするように指示します。
   注:ベースラインデータを3〜5分間取得します。この時間を使用して、手順3.2を実行します。
2. MISWTのオーディオを再生して、ボランティアに音声信号に従って歩く速度を示し、10mをカバーし(フィールドトラックは10mごとにマークされます)、歩行速度と音声信号を同期させます。
   注意: 理解のために必要に応じて繰り返してください。
3. 次に、参加者を立たせ、2人の研究者と一緒に、トラックの邪魔にならないように椅子から離れてテストを開始します。
   注:ここでは2人の研究者が必要です。研究者1は、MISWTオーディオ付きのモバイルデバイスを携帯して、1分ごとにテストの速度をガイドします。エルゴエスパイロメーターのラップトップに乗った研究者2。

4. テストの実施

1. 研究者1:参加者にテストを開始してもらい、MISWTオーディオが終了するまでテストの段階的なペースに従って、MISWTオーディオを使用して参加者の歩行ペースをガイドします。
   注:ウォーキングジョギングテストは0.84 m / sから始まり、1分ごとに刻み、最終ステージは2.37 m / sのジョギング速度に達します。テスト中に休憩はありません。
2. 研究者2:エルゴスピロメーターソフトウェアを搭載したラップトップの [テストの開始 ]ボタンを同時に研究者1と同時に押し、次にMISWTオーディオで示されるように速度が上がるたびに [テキストの追加 ]ボタンを押します。
3. 音声が終了したら、参加者に座って、話さずにじっとしていて、テストのエンドポイントをマークするために2分間通常どおりに呼吸するように依頼します。
4. 2分後、正方形の記号を押して測定を停止し、機器を取り外して、エルゴスピロメーターソフトウェアのラップトップでのデータ収集を完了します。

5. レビューとデータ抽出

1. エルゴスピロメーターソフトウェアでデータを確認し、酸素消費量(VO₂)、呼気二酸化炭素(VCO₂)、および分次換気(VE)の収集されたデータがプロジェクトにとって信頼できるものであったことを確認します。ラップトップでのテストが終了したら、 Next ボタンを押してから、 Smoothing ボタンを押して、10秒ごとに取得したデータを平均化します。
2. 加速度計のデータを身体活動ソフトウェアにダウンロードして、以前にUSBケーブルを使用して加速度計をラップトップに接続したことから、収集されたデータが信頼できることを確認します。加速度計レコードをダウンロードするときは、エポック長 (生の加速度データの時間) を 10 秒に選択します。
3. 加速度計と間接熱量測定のデータを添付したファイルをダウンロードし、統計ソフトウェアファイルへの手作業による転記を行います。

6. 機器の保管

1. その日のすべての測定が完了したら、機器を適切に保管してください。
2. 汚れた素材ときれいな素材を分けます。
3. 汚れた材料を水と石鹸で洗い、自然乾燥させます。

7. データ分析

1. VSlope (VO₂/VCO₂ の散布図の傾きの変化) を通じて、すべての参加者の換気閾値 1 (VT1) と換気閾値 2 (VT2) を推定し、二酸化炭素生産/分換気 (VCO₂/VE) の散布図の傾きの増加を、エルゴスピロメーター ソフトウェアの換気閾値ウィンドウで、それぞれすべての間接熱量測定ファイルから推定します。
2. ステップ7.1で取得したデータから、データベースでVT1とVT2が見つかった被験者の速度を登録します。
3. 加速度計ソフトウェアで、ウエストと手首の両方の記録のログファイルを開き、カウントを取得します。これらをコピーしてスプレッドシートに転送し、テストの各ステージの最後の 30 秒間で平均化します。
4. オープンソースの統計ソフトウェアを使用して、記述統計と推論統計(対応のあるスチューデントのT検定、クラス内相関係数、およびコーエンのD)を適用します。

結果

24人のボランティアのサンプルサイズを計算して、1,000 CPMの差を観察しました。女性(n = 35)は、年齢が22.4(± 1.9)歳、体重が62.2(± 11.3)kg、ボディマス指数が24.5(± 4.3)kg / m²の学部生の女子大学生から募集されました。活動のパフォーマンスに影響を与えた呼吸器系の併存疾患と急性筋骨格系損傷を持つすべてのボランティアは、研究から除外されました。

データ分布に関しては、Shapiro-Wilks検定(p > 0.05)を通じて評価された、すべての変数が正規分布を持つことがわかりました。2.03 m/s (Cohen's D 1.01)、2.20 m/s (Cohen's D 1.69)、2.37 m/s (Cohen's D 2.11) のサイズ効果を持つ対応のある T 検定分析を使用して、1.86 m/s を超える段階での加速度計の記録間に有意差がありました。

ディスカッション

私たちの結果は、間接熱量測定と加速度測定によって評価された増分身体活動の強度の違いを示しています。さらに、手首の三軸加速度計と腰の三軸加速度計から収集されたCPMデータの間には、テストの高速で統計的に有意な違いがあります。これらの知見は、デバイスの異なる解剖学的配置から収集された加速度計データ間に良好な一致がないことが示されている以前の報告と類似している11,12,13。

PAの強度は、特に多様なフィットネス条件を持つ人々が評価^{されている場合、異なる}PA強度ドメイン^{を区別する}ための最も信頼できる平均として換気閾値を考慮に入れて、間接的な熱量測定評価からより具体的に対処すべきである(例えば、5 km / hで歩くこと...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
加速度計ソフトウェア	Actigraph	Actilife 6.0	速度計に記録された情報を分析するためのソフトウェア
ガス	Cortex	N/A	低酸素および高炭酸ガスガス溶液を使用したバルーン。エルゴ肺活量計のガスセルの校正に使用され
ポンプ	Cortex	N/A	L のシリンジ、タービンを校正して分時換気を評価するために使用されます
エルゴ肺活量計	Cortex	Metamax 3B	酸素消費量、二酸化炭素生成、分時換気を記録するためのポータブル間接熱量計
心拍数チェストバンド	Polar	H10	Bluetooth トランスミサーはエルゴ肺活量計と同期しました
Metasoft studio	Cortex	N/A	エルゴ肺活量計の分析用ソフトウェア
ポータブルスピーカー	JBL	Go エッセンシャル	Bluetooth ポータブルスピーカーは、ウォーキングジョギング速度を制御するためのオーディオ信号を再生するために使用される
ソフトウェア	Jamovi	2.3.28	R統計言語上に構築されたオープンソースの統計ソフトウェア
三軸加速度計	Actigraph	GT3-X	3軸の加速度計の変化に使用されるデバイス。測定単位は、毎分カウント数 (CPM) です。