運(yùn)動傳感器測量身體活動的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大量流行病學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)了身體活動在促進(jìn)健康和減少慢性疾病方面的重要作用，開展身體活動研究首先解決的問題是尋求及發(fā)展客觀、精確、實(shí)用的身體活動測量方法，這對于定量化評價身體活動與健康之間的劑量-效應(yīng)(dose-response)關(guān)系，評估身體活動干預(yù)措施有效性，從而形成基于客觀評價基礎(chǔ)之上的公共健康建議具有重要意義。然而如何精確的測量身體活動對于研究人員來說仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。問卷調(diào)查、回顧式日記或訪談的方法通常由于存在大量主觀偏倚而

2、被認(rèn)為不夠精確。為了更加精確地評估身體活動，研究人員轉(zhuǎn)而尋求客觀評價方法。在諸多客觀身體活動測量技術(shù)中，運(yùn)動傳感器是其中應(yīng)用最為廣泛、最具代表性、研究最多的身體活動測量方法之一。
　　本研究采用Actigraph GT1M單軸加速度傳感器、Actigraph GT3X三軸加速度傳感器、RT3三軸加速度傳感器、Actiheart心率加速度運(yùn)動傳感器、IDEEA人工智能運(yùn)動傳感器五款國際上應(yīng)用最多的加速度傳感器，測量了中國人群20種典

3、型身體活動，其目的是評價20種常見身體活動代謝特征、探討上述五種代表性運(yùn)動傳感器測量中國人群典型身體活動的效度，并試圖開發(fā)精度更高、更適合中國人群的加速度傳感器能耗預(yù)測公式。共計14名健康成年男性和16名健康成年女性完成本研究。所有受試者完成兩大類（步行與日常生活活動）共計20種活動，分別為2mph步行、3mph步行、3mph3％坡度斜坡行走、3mph8％坡度斜坡行走、4mph快走、4mph3％坡度斜坡快走、5mph慢跑、6mph中速跑

4、、中速跳繩、快速跳繩、10mph騎自行車、13mph騎自行車、沿樓梯上樓、沿樓梯下樓、擦桌子、洗衣服、拖地、打乒乓球、上肢力量訓(xùn)練、下肢力量訓(xùn)練。受試者按照標(biāo)準(zhǔn)位置佩戴ActigraphGT1M單軸加速度傳感器、Actigraph GT3X三軸加速度傳感器、RT3三軸加速度傳感器、Actiheart心率加速度運(yùn)動傳感器、IDEEA人工智能運(yùn)動傳感器記錄其完成20種身體活動狀況，同時以間接熱量測定法這一“金標(biāo)準(zhǔn)”方法為參照，即受試者佩戴K

5、4b2便攜式心肺功能儀測試其實(shí)際能耗水平。
　　本研究第一部分中，總計19項(xiàng)可與國際《身體活動概要》參考MET比較的活動中，有15項(xiàng)活動的測量MET與《身體活動概要》不同，大部分活動測量MET顯著高于參考MET（13項(xiàng)）。男性由于靜息攝氧量接近3.5ml/kg/min，其標(biāo)準(zhǔn)MET（活動攝氧量/3.5）與測量MET（活動攝氧量/靜息攝氧量）基本一致，女性由于靜息攝氧量為3.0 ml/kg/min，其標(biāo)準(zhǔn)MET顯著低于測量MET。無

6、論男性還是女性，采用標(biāo)準(zhǔn)MET均可能導(dǎo)致運(yùn)動強(qiáng)度被錯誤分級，錯誤分級率為20％左右。在本研究第二部分中，針對Actigraph GT1M單軸加速度傳感器、ActigraphGT3X三軸加速度傳感器的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5mph速度以下動力性步行時，根據(jù)Actigraph GT1M單軸加速度傳感器cou nts預(yù)測MET的一元線性回歸方程R2達(dá)到0.79，但所有20種身體活動counts預(yù)測MET的一元線性回歸方程R2僅為0.51。Actigr

7、aph GT3X三軸加速度傳感器垂直軸、矢狀軸、水平軸及三軸矢量預(yù)測20種活動MET的一元線性回歸方程R2分別為0.53、0.08、0.28，0.53。單軸加速度傳感器在測量上肢活動、坡度步行、上樓梯、騎自行車等活動時，記錄counts值較低或無法隨運(yùn)動強(qiáng)度線性增加是導(dǎo)致與能耗相關(guān)性降低的主要原因。Actigraph GT3X三軸加速度傳感器除垂直軸外，矢狀軸和水平軸同樣無法感應(yīng)坡度步行，但在測量擦桌子、洗衣服、拖地、乒乓球、上肢力量練

8、習(xí)等以上肢為主的運(yùn)動時矢狀軸、水平軸感應(yīng)到較多活動。國際上應(yīng)用較多的Freedson單軸及三軸回歸公式、Swa rtz單軸回歸公式顯著低估了步行活動、生活活動及所有活動的實(shí)際能耗，提示國外ActiGraph加速度傳感器能耗預(yù)測模型不適合中國人群。本研究根據(jù)步行和所有活動分別推導(dǎo)的ActiGraph加速度傳感器單軸或三軸步行回歸公式及常見活動回歸公式預(yù)測能耗的準(zhǔn)確度高于國外公式。
　　本文針對RT3三軸加速度傳感器的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，R

9、T3三軸加速度傳感器三軸矢量和、垂直軸、矢狀軸、水平軸cou nts預(yù)測MET的一元線性回歸方程R2分別為0.63、0.62、0.59，0.46，表明RT3各軸counts對于活動均較為敏感，隨運(yùn)動強(qiáng)度增加呈現(xiàn)一定程度線性變化。RT3矢量和與垂直軸counts無論是測量步行，還是測量日常生活活動，預(yù)測MET的一元線性回歸方程的R2均一致，表明僅僅用線性回歸方程，使用矢量和預(yù)測能耗并不優(yōu)于單獨(dú)采用垂直軸counts預(yù)測能耗。RT3三軸回歸

10、公式顯著低估了步行活動、生活活動及所有活動的實(shí)際能耗，提示RT3能耗預(yù)測模型可能不適合中國人群。本研究根據(jù)步行和所有活動分別推導(dǎo)的RT3步行回歸公式及RT3常見活動回歸公式預(yù)測能耗的準(zhǔn)確度高于國外公式，但本研究RT3步行回歸公式仍然相對低估了日常生活活動能耗，RT3常見活動回歸公式則低估了中低強(qiáng)度活動，常見活動回歸公式總體略優(yōu)于步行回歸公式。針對Actiheart心率加速度傳感器的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Actiheart3種模型即加速度模型、心

11、率模型、心率加速度模型均顯著低估了實(shí)際能耗，其中加速度模型低估步行能耗的誤差值相對最小，為-1.65MET，心率模型和心率加速度模型低估步行能耗的誤差值分別為-5.13MET，-3.48MET，均大于加速度模型，但心率模型和心率加速度模型低估生活活動能耗的誤差值分別為-3.55 MET，-2.93 MET，小于其低估步行能耗的誤差值，而加速度模型低估生活活動能耗的誤差值為-2.17MET，大于其低估步行能耗的誤差值。本研究所推導(dǎo)的心率、

12、加速度、心率加速度及個體化心率模型預(yù)測實(shí)際能耗的誤差值均顯著低于Actiheart心率加速度傳感器原始3種模型，本研究個體化心率模型和心率加速度模型準(zhǔn)確預(yù)測運(yùn)動強(qiáng)度的比例均超過70％，而Actiheart心率加速度傳感器原始心率模型和心率加速度模型準(zhǔn)確預(yù)測運(yùn)動強(qiáng)度的比例不到20％。其中，本研究個體化心率模型預(yù)測步行能耗的誤差值最小，為-0.09，本研究推導(dǎo)的心率加速度模型預(yù)測生活活動的能耗相對精度最高，提示心率加速度傳感器在測量生活活動

13、方面可能具有一定優(yōu)勢。針對IDEEA運(yùn)動傳感器的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每分鐘平均counts在2mph，3mph，3mph3％，3mph8％四種速度下分別為375、362、352及330，四種速度下平均counts并無統(tǒng)計學(xué)差異，同樣經(jīng)比較4mph與4mph3％，5mph與6mph，其counts差異無統(tǒng)計學(xué)意義，未呈現(xiàn)隨速度和坡度增加綜合矢量counts增加趨勢，提示IDEEA運(yùn)動傳感器無法區(qū)不同速度下步行以及在坡度行走下能耗差別。IDEEA

14、運(yùn)動傳感器低估了所有活動MET水平，其平均誤差水平達(dá)到3MET(95％置信區(qū)間:-3.29，-2.80)。從步行活動來看，總體呈現(xiàn)步行速度越快，坡度越陡，誤差越大的趨勢，從2mph至6mph平地步行，其誤差值分別為-1.19 MET，-0.91 MET，-1.12MET，-5.55 MET，-5.55 MET，5mph和6mph速度下誤差值顯著大于2，3，4mph，同時，3mph速度下，坡度越大，誤差值越大。在日常生活活動方面，IDEE