利用三軸加速度計(Actigraph GT3X+)建立蛙泳、自由泳能量消耗預(yù)測公式*

趙德峰， 王金昊， 侯 彬， 趙海燕， 邱 俊

(上海體育科學(xué)研究所， 上海 200030)

長期過量的能量攝入會導(dǎo)致體重增長，較低的能量攝入會影響恢復(fù)，進(jìn)而影響運動能力，因此準(zhǔn)確測量運動中的能量消耗，將為運動員最佳的能量攝入提供依據(jù)。間接測試法(IC法)是測定機(jī)體在一定時間內(nèi)的O2消耗量和CO2的產(chǎn)生量來推算呼吸商，根據(jù)相應(yīng)的氧熱價計算能量消耗，IC 法被廣泛應(yīng)用于安靜和運動過程中的能量消耗測定，被視為短時能量消耗測定方法的金標(biāo)準(zhǔn)[1]，由于測試條件限制，在長時間運動訓(xùn)練過程中應(yīng)用IC法進(jìn)行能量消耗測定較難實現(xiàn)。三軸加速度計是近年來研究較多的能量消耗測試儀器，攜帶方便，在評價日?；顒幽芰肯姆矫婢哂幸欢▋?yōu)勢，內(nèi)設(shè)的能耗預(yù)測公式也有很大應(yīng)用價值[2]。專項運動項目與日?；顒釉谶\動方式上有很大區(qū)別，直接應(yīng)用三軸加速度計內(nèi)設(shè)公式預(yù)測能量消耗存在較大誤差，因此研究學(xué)者對三軸加速度計的能量消耗有效性進(jìn)行了較多應(yīng)用研究，并建立了不同運動方式的能量消耗預(yù)測公式[3-5]，用以測量運動訓(xùn)練中的能量消耗。游泳項目能量消耗巨大，無法應(yīng)用IC法測量訓(xùn)練中能量消耗，目前利用三軸加速度計對游泳運動能量消耗的研究較少，缺乏相關(guān)預(yù)測公式，因此本研究利用Actigraph GT3X+三軸加速度計建立自由泳、蛙泳能量消耗預(yù)測公式，為兩個項目能量消耗和能量攝入提供參考依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

上海游泳隊運動員21名(國家一級水平以上，專業(yè)訓(xùn)練兩年以上，身體健康)，自愿參加此項測試，研究對象基本資料見表1。

Tab. 1 Basic conditions of the subjects

1.2 測試方案

采用游泳水槽(5 m×3 m×1.5 m，誤差<0.01 m/s，水溫26℃)遞增方法進(jìn)行測試，蛙泳組采用1.1 m/s流速起始，每分鐘遞增0.03 m/s，至力竭結(jié)束測試；自由泳組采用1.2 m/s流速起始，每分鐘遞增0.04 m/s，至力竭結(jié)束測試。所有運動員均對水槽測試進(jìn)行充分適應(yīng)，測試前經(jīng)過充分熱身。測試泳池條件：溫度28℃、濕度60%。

1.3 能量測試

能量測試當(dāng)天清晨，受試者著輕質(zhì)衣服空腹測試身高(cm)和體重(kg)，體表面積(m2)采用許文生氏公式[5]，體表面積=0.0061×身高+0.0128×體重-0.1529。Actigraph GT3X+加速度計佩戴位置為右側(cè)腕關(guān)節(jié)(wan)、右側(cè)踝關(guān)節(jié)(huai)和右側(cè)髂腰部(yao)。加速度計記錄冠狀軸(x軸，前后方向)、矢狀軸(y軸，左右方向)、垂直軸(z軸，上下方向)和三軸向量幅值(VM=(ACx2+ACy2+ACz2)1/2)的加速度計數(shù)(counts/min)。受試者鼻子夾住后，通過咬嘴進(jìn)行呼吸，通氣軟管固定于移動支架上。Cosmed K4b2進(jìn)行環(huán)境空氣、流量和參考?xì)怏w校準(zhǔn)后，放置于移動支架上，采用breath by breath 法實時采集受試者通氣軟管處的氧氣(VO2)(L/min)和二氧化碳(VCO2)(L/min)，能量消耗公式采用廠家標(biāo)準(zhǔn)公式EEm(IC)(Kcal/min)=(3.078×VO2+1.237×VCO2)×BW/(BW+1)[6]。

1.4 測試儀器

Cosmed K4b2便攜式心肺功能測試儀(意大利COSMED公司)，Actigraph GT3X+型三軸加速度計(美國MIT公司)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 17.0軟件統(tǒng)計包對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立線性回歸公式(Stepwise法)。建立回歸公式的因變量均為能量消耗(EEM)，公式1自變量為體表面積(BSA)、腕部加速度數(shù)據(jù)(wanACx，wanACy，wanACz)；公式2自變量為體表面積(BSA)、腰部加速度數(shù)據(jù)(yaoACx，yaoACy，yaoACz)；公式3自變量為體表面積(BSA)、踝部加速度數(shù)據(jù)(huaiACx，huaiACy，huaiACz)；公式4自變量為體表面積(BSA)、腕腰踝部加速度數(shù)據(jù)(wanACx，wanACy，wanACz ，yaoACx，yaoACy，yaoACz ，huaiACx，huaiACy，huaiACz)；公式5自變量為體表面積(BSA)、腕腰踝部三軸向量幅值數(shù)據(jù)(wanVM， yaoVM ，huaiVM)。

Tab. 2 Establishment of breaststroke swimming energy expenditure prediction equation on BSA wrist(ACx、ACy、ACz) waist(ACx、ACy、ACz) ankle(ACx、ACy、ACz) wrist waist ankle(ACx、ACy、ACz) and wrist waist ankle(VM)

Tab.3Regression coefficient of the fourth prediction equation for energy expenditure in breaststroke swimming

BS.E.BetatSigConstant-20207.44026.923-5.0180.000yaoACy29.2533.0860.4399.4780.000BSA15837.611607.6250.4769.8520.000huaiACx1.9780.5040.183.9220.000huaiACy1.5640.4020.1863.8870.000wanACx-2.070.581-0.181-3.5630.000

2 結(jié)果

2.1 蛙泳能量消耗預(yù)測公式的建立

由表2可見，利用Actigraph GT3X+三軸加速度計所建立的能量消耗預(yù)測公式α值均小于0.05，公式2的F值>公式4>公式1>公式5>公式3，表明利用上述各部位建立的能量消耗預(yù)測公式線性模型均顯著成立；公式4的判定系數(shù)R2>公式2>公式5>公式3>公式1。表明利用上述公式建立的能量消耗預(yù)測公式擬合程度均較好，但公式4的擬合程度最好，預(yù)測公式能解釋的變異占到了67.7%(表3)。

2.2 自由泳能量消耗預(yù)測公式的建立

由表4可見，利用Actigraph GT3X+三軸加速度計所建立的自由泳能量消耗預(yù)測公式α值均小于0.05，公式3的F值>公式4>公式5>公式2>公式1，表明利用上述各部位建立的自由泳能量消耗預(yù)測公式線性模型均顯著成立；公式4的判定系數(shù)R2>公式5>公式3>公式2>公式1。表明利用上述公式建立的能量消耗預(yù)測公式擬合程度均較好，但公式4的擬合程度最好，預(yù)測公式能解釋的變異占到了71.2%(表5)。

Tab. 4 Establishment of front crawl swimming energy expenditure prediction equation on wrist(ACx、ACy、ACz) waist(ACx、ACy、ACz) ankle(ACx、ACy、ACz) wrist waist ankle(ACx、ACy、ACz) and wrist waist ankle(VM)

Tab.5Regression coefficient of the fourth prediction equation for energy expenditure in front crawl swimming

BS.E.BetatSigConstant-32142.71819.225-17.6680.000BSA24285.571987.3620.84124.5960.000huaiACy0.2480.020.42112.3370.000yaoACx-0.4180.052-0.262-7.970.000wanACx0.170.0270.2116.3780.000

3 討論

游泳是能量消耗非常大的項目[7]，運動員個體能量消耗也存在較大差別，因此了解運動員運動訓(xùn)練過程中的能量消耗，將有助于運動員進(jìn)行合適能量補(bǔ)充[8]。由于在泳池中應(yīng)用直接法進(jìn)行能量消耗測試很難實現(xiàn)，相關(guān)研究較少。Actigraph GT3X+三軸加速度計在評價日?；顒拥哪芰肯姆矫婢哂幸欢▋?yōu)勢，建立的能耗預(yù)測公式也有很大意義。但在游泳項目中，運動員運動方式與日常身體活動存在明顯差異，無法直接應(yīng)用GT3X+三軸加速度計內(nèi)設(shè)公式對運動員能量消耗做出準(zhǔn)確預(yù)測。游泳水槽實驗室能夠提供穩(wěn)定可調(diào)的水流，相關(guān)實驗可以開展[9]，本研究在游泳水槽實驗室通過遞增速度測試運動員不同流速下能量消耗變化，利用Actigraph GT3X+三軸加速度計建立蛙泳、自由泳能量消耗預(yù)測公式。

研究表明與身體形態(tài)有關(guān)的因素都與游泳運動員的能量消耗間存在線性關(guān)系[10]。體表面積能反映身體形態(tài)等參數(shù)，腕部能反映游泳過程中上臂運動過程，腰部可以反映運動員軀干部位運動過程，踝部能反映運動員下肢打腿等運動過程。因此本研究將三軸加速度計佩戴在上述三個部位，可反映出自由泳和蛙泳游進(jìn)過程中上肢、腰部和下肢三個維度加速度變化情況。本研究以EE為因變量，以BSA，腕部加速度數(shù)據(jù)(wanACx，wanACy，wanACz，wanVM)、腰部加速度數(shù)據(jù)(yaoACx，yaoACy，yaoACz，yaoVM)和踝部加速度數(shù)據(jù)(huaiACx，huaiACy，huaiACz，huaiVM)等為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，利用Actigraph GT3X+三軸加速度計建立的蛙泳預(yù)測公式EEm(cal/min)= -20207.4+29.253×yao ACy+15837.61×BSA+ 1.978×huai ACx+ 1.564×huai ACy -2.07×wan ACx(R2= 0.677)；自由泳預(yù)測公式EEm= -32142.7+24285.571×BSA + 0.248×huai ACy -0.418×yao ACx+0.17×wan ACx(R2= 0.712)。在線性回歸中，如果殘差之間不是彼此獨立的，一些公式的擬合結(jié)果會出現(xiàn)問題，D-W統(tǒng)計量通過確定兩個相鄰誤差項的相關(guān)性是否為零來檢驗回歸殘差之間是否存在自相關(guān)。D-W值得取值范圍為0

Ratel[11]以30名專業(yè)自由泳運動員(10少年男性、5名少年女性運動員和10名成年男性、5名成年女性運動員)為研究對象，根據(jù)耗氧量和游速的比率推測能量消耗，探討性別和年齡對200 m游泳能量消耗的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，性別和年齡之間沒有顯著性差異。因此在本研究選擇研究對象時，并未將年齡因素及性別因素考慮在內(nèi)。

邱俊[12]在水槽中應(yīng)用三種間接代謝方法對自由泳能量消耗測試的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究，并以腕VM為自變量，結(jié)合體重、速度平方建立了加速度計法能量消耗非標(biāo)準(zhǔn)化回歸公式：EE(Kcal/min)=4.488+2.197×速度平方+0.171xBW - 0.00011×wan VM(R2=0.492)。在運動訓(xùn)練中，依據(jù)訓(xùn)練目的不同，運動員速度要求會存在明顯區(qū)別，加速度會隨之變化，因此恒定速度下能量消耗預(yù)測公式很難準(zhǔn)確測量運動員每天訓(xùn)練的能量消耗。本研究應(yīng)用遞增速度建立了預(yù)測公式，更符合運動訓(xùn)練實踐需要。

同樣游近距離下，不同泳姿能量消耗存在一定差別，在本研究中，由于仰泳和蝶泳佩戴cosmed等測試儀器不方便，因此未進(jìn)行仰泳和蝶泳泳姿能量消耗測試。Barbosa[13]研究了4種不同泳姿之間200m 遞增游泳的能量消耗，研究結(jié)果表明游速為1.0～1.2 m/s時，蛙泳總能量消耗顯著高于仰泳、自由泳的總能量消耗，1.4 m/s時蛙泳能量消耗最高，自由泳能量消耗顯著低于蛙泳、蝶泳和仰泳的能量消耗，1.6 m/s時蛙泳能量消耗也顯著高于蝶泳和自由泳的能量消耗，自由泳能量消耗最低，其次為仰泳、蝶泳，蛙泳能量消耗為最高。因此本研究通過建立蛙泳和自由泳的能量消耗預(yù)測公式，可以為蝶泳和仰泳提供參考依據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行能量補(bǔ)充。

因技術(shù)條件限制，本研究未在真實泳池環(huán)境進(jìn)行三種不同速度的能量消耗驗證，在今后研究中，在技術(shù)條件許可情況下，建立的預(yù)測公式在真實泳池環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步驗證研究。由于泳池環(huán)境和日?；顒宇A(yù)測公式不同，在記錄運動員全天能量消耗過程中，應(yīng)標(biāo)記運動時間節(jié)點，分段計算能量消耗。

綜上所述，本研究初步探討了利用Actigraph GT3X+三軸加速度計建立蛙泳和自由泳能量消耗公式的可行性及有效性，建立的蛙泳預(yù)測公式為EEm(cal/min)= -20207.4+ 29.253×yao ACy+15837.61×BSA(m2)+1.978×huai ACx+ 1.564×huai ACy-2.07×wan ACx( R2=0.667)，自由泳預(yù)測公式為EEm(cal/min)=-32142.7 +24285.571×BSA(m2) + 0.248×huai ACy -0.418×yao ACx+0.17×wan ACx(R2= 0.712)。兩個公式可以作為評價游泳運動員蛙泳和自由泳能量消耗的工具，其結(jié)果可作為運動員能量補(bǔ)充的參考依據(jù)，也可游泳鍛煉者測算運動能量消耗提供參考依據(jù)。