便攜式能量消耗測試儀SenseWear Armband估測職業(yè)女子足球運動員運動能量消耗的有效性

王貝 趙德峰 趙海燕 王晨錢 風雷

上海體育科學研究所（上海200030）

便攜式能量消耗測試儀SenseWear Armband估測職業(yè)女子足球運動員運動能量消耗的有效性

王貝 趙德峰 趙海燕 王晨錢 風雷

上海體育科學研究所（上海200030）

目的：檢測便攜式能量消耗測試儀SenseWear Armband（SWA）應用于職業(yè)足球運動員在不同強度奔跑時能量消耗測量的有效性。方法：9名職業(yè)女子足球運動員（19.3±1.3歲），至少空腹2小時，靜坐10分鐘后上跑步機先后以四種不同強度的速度（50%VO2max、65%VO2max、75%VO2max、85%VO2max）跑步10分鐘，每個強度完成以后受試者休息直至心率恢復到110次/分鐘再開始下一個強度的測試。采用便攜式心肺功能測試儀Cosmed K4b2記錄受試者的氣體交換情況，同時采用SWA記錄受試者的能量消耗。結果：配對t檢驗結果顯示，除了70%VO2max（相對應的代謝當量為10 METs），在其它三個強度運動時，SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據均具有顯著性差異（P＜0.001）。與Cosmed K4b2測量結果相比，在56%VO2max時，SWA顯著高估了熱量消耗，而在79%VO2max和87%VO2max時，SWA顯著低估了熱量消耗。當運動強度以能量代謝當量表示時，測量誤差值的絕對值在10 METs左右達到最小。SWA和Cosmed K4b2在9～11 METs間的每分鐘數(shù)據顯著相關（P＜0.05）并無顯著差異性（P＝0.365），而在小于9 METs或大于11 METs的運動強度區(qū)間時，SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據顯著相關并具顯著差異性（P＜0.001）。結論：SWA在10 METs代謝當量附近監(jiān)測熱量消耗最為準確，此強度也是職業(yè)女足比賽時的常見強度。因此，雖然SWA在檢測低于9 METs和高于11 METs能量代謝當量強度的運動時的熱量消耗誤差漸增，但可有效地應用于女足運動員在比賽中的熱量消耗測定。

SenseWear Armband；能量消耗；女子足球；運動員

能量的消耗和攝入平衡是維持運動員理想身體成分和運動機能的基本前提，但是運動員僅靠自身感覺是難以估量能量消耗從而合理計劃膳食的。職業(yè)運動員運動的復雜性也使得其能量消耗的測定尤為困難。目前國內外測定能量消耗的方法有多種，其中最為傳統(tǒng)同時也是金標準的方法是通過測量呼吸中氧氣和二氧化碳的交換率來計算能量消耗，稱為間接測熱法（in?direct calorimetry，IC）。IC法可以較準確地測量靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE），適用于實驗室或短時間的部分運動場測試，但不便于長時間連續(xù)測量總能量消耗（total energy expenditure，TEE）。Lif?son等[1]提出了同時使用氫和氧穩(wěn)定同位素的雙標水法（doubly labeled water，DLW）來測量能量消耗。DLW法相對無創(chuàng)傷，可以測量較長時期的TEE，是測量自由活動狀態(tài)下TEE的金標準方法，但是DLW法測量費用昂貴，不適用于大樣本量測量而且無法分析能量消耗活動的模式，比如運動強度和頻率等[2，3]。隨后Troiano等提出通過心率和/或加速度來測量能量消耗，這些方法較前兩種方法容易操作并且能儲存高時間分辨率的能量消耗活動強度，但是其有效性受多種因素影響[4]。心率法的主要受限因素在于心率和能量消耗僅在心率處于110～150次/分的范圍內存在良好的線性關系，超出此范圍時其相關性下降，對于不同人群在不同狀態(tài)下的能量消耗預測方程需要進行不同校準[5，6]，而加速度則在不同運動項目中與不同運動強度的能量消耗間的關系存在變數(shù)[7-9]。

SenseWear Armband（SWA）是一種結合了生理和機械測量的新一代便攜式能量消耗測試儀。有研究報道SWA比單純的心率和加速度法能更精確地測量人體活動的能量消耗[10]。SWA主要佩帶于左手上臂外側，通過四種感應器（三軸加速度、皮膚溫度、膚電反應和熱傳導）可全天檢測佩戴者的能量消耗、運動時間和步數(shù)。研究證明SWA可以較可靠地測量普通人靜止和低中強度運動中的能量消耗[11]。然而，SWA是否在測量職業(yè)運動員運動中的能量消耗時也同樣可靠目前并無研究涉及。鑒于此，本研究檢測SWA應用于職業(yè)足球運動員在不同強度奔跑時能量消耗測量的有效性。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究選定9名上海職業(yè)女足運動員為受試者，平均年齡19.3±1.3歲，平均身高169.0±0.7 cm，平均體重59.1±0.9 kg，平均體脂含量20.3%±0.7%，平均專業(yè)訓練年限7.0±1.1年。

1.2 實驗儀器與方法

1.2.1 實驗儀器

能量消耗的標準測量儀器采用意大利Cosmed K4b2便攜式心肺功能測試儀。測試前，氧氣和二氧化碳分析儀以及氣流渦輪均根據廠家說明書進行校準，詳細過程見Crouter等[12]。能量消耗的待實驗測量儀器使用美國Body Media Inc.生產的SenseWear Armband（SWA），型號為MF-SW，軟件版本為7.0。

1.2.2 實驗方法

本研究包括兩個測試日，其間至少相隔3天。在第1個測試日，受試者早上空腹來到實驗室后使用In?Body720（BiospaceCo.，Ltd.，Korea）進行身體成分測試，下午在跑步機上進行最大攝氧量（VO2max）測試。VO2max測試方案使用跑臺遞增運動負荷程序：9.0 km/h起始，每1 min遞增0.8 km/h，至17.8 km/h時增加坡度，每1 min增加1%的坡度，至力竭。測試停止時即時記錄受試者的主觀運動強度等級。Polar心率表（RS400，芬蘭）全程監(jiān)控受試者的心率。測試期間使用Cosmed K4b2便攜式心肺功能測試儀實時監(jiān)控受試者在運動中的氣體交換情況并記錄力竭停止運動前出現(xiàn)的VO2max。力竭標準定為受試者的攝氧量達到穩(wěn)定狀態(tài)不再遞增并且呼吸商RER值＞1.15。

VO2max測試結束后至少間隔3天，受試者回到實驗室在跑步機上先后進行4種不同速度的運動測試。4種不同速度分別根據預測可達到受試者50%、65%、75%和85%VO2max的運動強度來擬定，預測計算公式采用美國運動醫(yī)學會推薦的跑步運動能量消耗方程：VO2（m l/kg/min）=0.2×速度（m/min）+0.9×速度（m/min）×坡度+3.5（m l/kg/min）。測試當天，受試者預先將SWA佩戴于左臂至少30 min，以達到溫度平衡。測試正式開始前，受試者佩戴好Cosmed K4b2便攜式心肺功能測試儀和Polar心率表，靜坐10 min。當心率低于80次/分鐘時，受試者開始上跑步機分別以4種不同強度的速度（50%、65%、75%、85%VO2max）跑步10 min。每個強度完成以后，即時記錄受試者的主觀運動強度等級，然后受試者下跑步機慢走或靜坐休息直至心率恢復到110次/分鐘再開始下一個強度的測試。測試期間，跑步速度會根據Cosmed K4b2的實時記錄進行微調整以求達到所需要的攝氧量。Polar心率表全程監(jiān)控受試者的心率變化。Cosmed K4b2記錄受試者的氣體交換情況，同時SWA記錄受試者的能量消耗。

為了減少食物熱效應對能量消耗的影響，在最大攝氧量和不同強度測試前，受試者被要求至少2小時不能攝入任何食物（除了飲用水），并且不能進行任何強度的運動。

1.3 數(shù)據處理

每種強度的10分鐘測試均采用第3～9分鐘的數(shù)據進行分析以避免運動初期和終止時的不穩(wěn)定干擾。SWA記錄的熱量消耗和CosmedK4b2記錄的氧氣消耗數(shù)據均以每分鐘的平均值進行分析。根據每消耗1 L氧氣大約產生5 kcal熱量的規(guī)律將CosmedK4b2記錄的氧氣消耗量轉化為能量消耗量，并將每分鐘的氧氣消耗量轉化為能量代謝當量（1 MET=3.5 m l/kg/min）。本研究采用SPSS Ver.17.0統(tǒng)計軟件包對數(shù)據進行統(tǒng)計分析。采用配對t檢驗法檢驗分別由SWA和Cos?medK4b2記錄的熱量消耗值間的相關性和差異性。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 研究結果

2.1 最大攝氧量測試結果

在最大攝氧量測試中，9名女足運動員的平均最大攝氧量為51.3±1.1 m l/kg/min，主觀運動強度等級為18±0.3。力竭時呼吸商RER平均值為1.23±0.03，即刻心率為190±3 bpm，說明受試者均達到力竭標準后方停止測試。

2.2 不同強度跑臺運動測試結果

正式測試中，每個強度跑臺運動結束時受試者的即時心率和主觀運動強度等級見表1。測試中每個階段的實際跑步速度、攝氧量、最大攝氧量百分比和每分鐘代謝當量（METs）平均值見表2。4個測試階段實際平均運動強度為最大攝氧量的56%、70%、79%和87%，比設定強度高了2%～6%。

表1 不同強度跑臺運動結束時的即時心率和主觀運動強度等級

表2 不同強度跑臺運動的實際速度、攝氧量、VO2max百分比和代謝當量

圖2 測量誤差與能量代謝當量間的關系

配對t檢驗結果顯示，在不同強度跑臺運動中，SWA和CosmedK4b2的每分鐘數(shù)據在強度一（56% VO2max）和強度二（70%VO2max）時顯著相關（P＜0.001），但在強度三（79%VO2max）和強度四（87%VO2max）時無顯著相關性。除了在強度二（70%VO2max），SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據均具有顯著性差異（P＜0.001）。與Cosmed K4b2相比，在強度一時，SWA顯著高估了受試者的熱量消耗（13.89%±1.12%），而在強度三和強度四時，SWA顯著低估了受試者的熱量消耗（7.88%± 1.23%，17.97%±0.98%。見圖1）。隨著強度的增加，Cosmed K4b2的每分鐘平均熱量消耗逐漸增加，各個強度下的每分鐘平均熱量消耗顯著不同，而SWA的每分鐘平均熱量消耗值在強度二時即進入平穩(wěn)狀態(tài)（見圖1），強度二與強度一的每分鐘平均熱量消耗顯著不同，但與強度三和強度四的每分鐘平均熱量消耗并無顯著不同。相對應的，當運動強度以能量代謝當量表示時，測量誤差值的絕對值在10 METs左右達到最小，然后隨著能量代謝當量的增加或減少而增加（見圖2）。另外，配對t檢驗結果顯示，SWA和Cosmed K4b2在9～11 MET間的每分鐘數(shù)據顯著相關（P＜0.05）且無顯著差異性（P＝0.365），并且在此區(qū)間82%的SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據處于10%測量誤差內。而在小于9 METs或大于11 METs的運動強度區(qū)間時，SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據顯著相關并具顯著差異性（P＜0.001）。

圖1 Cosmed K 4b2和SWA在不同強度跑臺運動中測得的平均每分鐘熱量消耗值比較

3 討論

本研究檢測了便攜式能量消耗測試儀SenseWear Armband（SWA）記錄職業(yè)女足運動員以四種不同速度在跑步機上運動時所消耗能量的準確性和可靠性。實驗結果顯示，使用SWA測量人體熱量消耗在70%VO2max左右的運動強度或9～11 METs代謝當量區(qū)間最為精確，此時SWA與Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據存在顯著相關性并無顯著差異性，但是對于低運動強度（56% VO2max或6～9 METs代謝當量區(qū)間）和高運動強度（79%VO2max和87%VO2max或代謝當量＞11 METs）時的熱量消耗測定并不可靠。在低運動強度時，雖然SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據顯著相關但存在顯著差異性，SWA顯著高估熱量消耗13.89%，這與Fruin等人[13]的發(fā)現(xiàn)相一致。Fruin等人曾提出SWA在跑步機上測量快步行走的熱量消耗時顯著高估了13%～27%。King等人[7]發(fā)現(xiàn)SWA不僅高估在跑步機上行走時的熱量消耗，而且還會高估奔跑速度分別為8.04、9.66、11.28和12.84 km／hr時的熱量消耗。而本研究實驗數(shù)據顯示，高運動強度時SWA和Cosmed K4b2的每分鐘數(shù)據無顯著相關并具顯著差異性，SWA顯著低估了高運動強度（79%VO2max和87%VO2max，速度分別為11.76和12.18 km／hr）時的熱量消耗。不同的數(shù)據分析結果可能是由于實驗所使用的SWA內置的專業(yè)研究軟件版本不同而造成的。Fruin和King等人的研究中SWA所使用的軟件版本為5.1或更早的版本。而Dre?nowatz等人[14]使用6.1版本的軟件發(fā)現(xiàn)SWA顯著低估了代謝當量＞10 METs時的運動熱量消耗。他們發(fā)現(xiàn)SWA對熱量消耗的測量在10 METs的代謝當量附近達到峰值，此時在跑臺上的運動強度相當于65%VO2max（跑步速度為9.66 km／hr），而后隨著強度的升高，SWA的讀數(shù)并沒有隨之進一步增加。然而Drenowatz等人的研究僅檢測了運動強度為65%、75%和85% VO2max時SWA測量熱量消耗的可靠性，而沒有對低于65%VO2max運動強度時SWA熱量消耗的測定進行評估。Calabro等人[15]使用6.1版本的軟件發(fā)現(xiàn)SWA高估了低強度運動時的熱量消耗。這些結果與使用7.0版本分析軟件的本研究結果相一致。本研究中SWA的每分鐘平均熱量消耗值在強度二（70%VO2max，速度為9.31 km／hr）時進入平穩(wěn)狀態(tài)，相對應的能量代謝當量為10 METs左右，測量誤差值的絕對值在此時達到最小，然后隨著能量代謝當量的增加（79%VO2max和87% VO2max）或減少（56%VO2max）而增加。

Corder等人[16]的研究也曾顯示使用加速度計測定熱量消耗會在10 METs左右的運動強度時達到停滯期從而低估高強度時的熱量消耗。SWA雖然在加速度計的基礎上增加了與熱相關方面的監(jiān)測（皮膚溫度、膚電反應和熱傳導），并且不斷改進更新了分析軟件，但本研究開展時所使用的最新版本7.0仍然在測定低強度和高強度運動時的熱量消耗方面存在局限性，而且可能高強度時受試者過高的出汗速度也會影響儀器中熱感應檢測器的測量誤差[13]。

雖然SWA在不同運動強度測量熱量消耗的準確性還需進一步改善，但是相比其它同類的能量消耗測試儀，便攜性強且易操作的SWA仍是較為可靠的選擇。Lee等人[10]比較了8種市面上可售的能量消耗測試儀，包括BodyMedia FIT armband、加速度計Actigraph、DirectLife、the Fitbit One、the Fitbit Zip、the Jawbone Up、Nike Fuel Band和Basis B1 Band，其中的Body?Media FIT armband是與SWA同系列熱量消耗測試儀的基礎型號。研究顯示使用這8種測試儀測量多種不同類型運動中的熱量消耗時，包括久坐、不同速度行走、跑步機上慢跑和中到高強度的各種運動（上下階梯、健身車、橢圓機、Wii網球練習和籃球），BodyMedia FIT armband的誤差評定（errorrating）為9.3%，是8種儀器中誤差最小的。而作為專業(yè)版（professional）的SWA的精確性比基礎版本更高，因此更加具有可靠性。在足球運動中，根據Jette[17]的劃分標準，女足運動員在賽場上的運動強度以能量代謝當量表示時為10梅托左右，而這正處于本研究結果中SWA測量誤差值最小的熱量消耗區(qū)間，因此，SWA可有效監(jiān)測女足運動員在比賽中的熱量消耗，其結果具有較高的可靠性。

4 總結

雖然SWA在檢測低于9 METs和高于11 METs能量代謝當量強度的運動時熱量消耗的誤差漸增，但在測量人體熱量消耗在9～11 METs代謝當量區(qū)間或70%VO2max左右運動強度時最為精確，此強度正與女足比賽中的強度相一致，因此，SWA可有效應用于女足運動員在比賽中的熱量消耗測定。

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2016.05.11

上海市科委課題（編號14231202100）

錢風雷，Email：fengleiqian@sina.com