心率联合加速度运动传感器综述①

宋攀　庄洁（上海体育学院运动科学学院　上海　200438）

心率联合加速度运动传感器综述①

宋攀庄洁*
（上海体育学院运动科学学院上海200438）

摘 要：加速度传感器技术在体力活动能量消耗研究中的日益成熟，使得加速度传感器成为了目前广泛应用于体力活动研究的客观测量方法。然而传统的加速度传感器在一些活动模式测量中存在限制，复合型运动传感器应运而生。该文对心率联合加速度传感器Actiheart在体力活动测量方面的应用进展做一综述，为未来体力活动测量方法的选择提供参考。

关键词：体力活动运动传感器能量消耗心率加速度

①基金项目：上海市地方高校大文科研究生学术新人培育计划项目，项目编号：xsxr2013047。

准确测量能量消耗是体力活动研究的关键，心率联合加速度传感器联合了垂直轴加速度和心率指标，大量研究证实，加速度联合心率预测体力活动能耗比单独使用加速度或者心率更准确有效。

1　原理

Actiheart（Mini Mitter，Respironics，Bend，OR）是一款整合了单轴加速度计和心电信号进行同步测量的复合运动传感器，心电信号的采样频率为128 Hz，在每个采样周期结束时，仪器通过筛除超过原始值±25%的数据，计算采样段最后的16个R-R间期的切尾平均数；设备将心电信号转化为每分钟心率，并在每个周期的结束时写入存储卡中，Actiheart在不同采样频率和采样模式下可以存储10～21 d的数据；它可测量的心率范围在31～250 BPM（Beat Per Minute），并可将采集的心率和活动信息转化为活动能量消耗（Activity Energy Expenditure，AEE）；Actiheart采集的数据是通过一个插接基座和专用软件进行下载并导出到Excel文件中，其中包括活动计数，能量消耗和心率等数据[1]。

2　Actiheart方法的优点

2.1准确度和精确度高

将加速度与其他生理参数，如心率、体温结合以提高测量体力活动的精度一直是人们关注的重要内容，其中将加速度与心率联合有效得将两个指标互补，提高了能耗预测精度[2]。虽然心率作为反映运动强度的指标是不争的事实，但由于心率容易受到情绪、温度、湿度、疲劳程度等诸多因素影响，通过心率测量体力活动准确度和精确度十分有限[3-6]。大量研究证实，通过非线性模型技术将加速度和心率相结合可以显著提高体力活动测量的准确性[7-9]。Actiheart是目前仅有的一款可同时测量加速度和心率数据的联合运动传感器，国外研究已通过双标水法和间接测热法验证[10，11]。国外学者的研究显示，相比单独使用心率或加速度，Actiheart显著提高了测量体力活动的精度[12，13]。

2.2试用范围广

目前，常用的体力活动测量方法有体力活动问卷、双标水法、间接测热法、心率监测法、计步器、加速度传感器和复合型运动传感器。体力活动问卷受回忆和认知能力影响，误差较大；双标水法成本高，且无法测量特定活动的能量消耗；间接测热法适用于小样该研究；心率虽能有效反映运动强度，但心率又易受情绪、体温等因素的影响，且存在反应滞后现象；计步器只局限于很少的运动模式；加速度传感器是目前应用于大样本人群的客观测量方法，但在静态性或身体部分静态性的运动模式测量中有较大限制；而复合型运动传感器Actiheart结合垂直轴加速度和即时心率在某种程度上有效解决了这些问题。

2.3对身体无任何影响

Actiheart通过连接基座和电极片连接，同步测量心电和垂直方向的运动，并能够准确和容易地计算非固定活动的能量消耗。由于Actiheart是通过电极片与身体表面接触记录心率变化，设备小巧轻便，且测试过程简易方便，对身体无任何影响或损害。

2.4过程简单方便

Actiheart小巧便携，重量不足10 g，长188 mm，借助导线将一个主传感器和一个辅传感器相连，通过3M心电电极片固定在胸部的相应测试部位，佩戴方便舒适，主传感器通过电极片放置在V1（胸骨右缘第四肋间）和V2（胸骨左缘第四肋间）导联之间的下部，辅传感器通过另一电极片放在V4（左销骨中线第五肋间）或V5（左腋前线第五肋间）的位置[1]。测试前再自带软件中输入受试者个人信息初始化设备，按要求正确佩戴好设备，测试结束后取下设备，再通过自带软件将数据导入Excel。

3　Actiheart方法的局限性

3.1误差

Actiheart在预测一些较高和较低强度的活动能耗时存在一定程度的误差。Corder等人[14]对145名年龄在12.4±0.2岁的儿童进行了六项活动PAEE的比较研究，研究发现加速度联合心率模型高估了低强度活动（慢走）和久坐的运动能耗。朱琳[1]的研究表明加速度联合心率预测模型低估了安静、广播操和跳绳的运动能耗，高估4 km/h的步行运动能耗。Brazeau[15]等人的研究再次证实了Actiheart在估算能耗时的可靠性，但会高估中低强度步行的能耗。

3.2费用高

相对于目前其他的一些加速度计或运动传感器，Actiheart设备价格比较昂贵。另外，使用Actiheart进行实验测试，电极片质量直接影响测试的准确性，因此，实验一般选取仪器指定3M电极片，实验过程中将大量消耗，3M电极片价格相对普通电极片价格较高。

3.3其他局限性

由于Actiheart是通过电极片直接附着于胸口皮肤上面，在佩戴设备时受性别和季节的影响可能出现不方便。在实验过程中，如果测试强度较大的活动，身体在大量出汗的情况下，电极片受汗液影响，极有可能粘性下降，脱离皮肤，导致数据中断。

4　展望

目前，国内外用Actiheart预测体力活动能量消耗的研究日益增多，已有的研究已经应用到学龄前儿童、青少年、成年人、孕妇以及患有疾病的人群。随着学者们对体力活动能耗研究的深入，对实

验测量的要求越高，复合型运动传感器将可能成为趋势。

参考文献

[1]朱琳.11-14岁青春期少年常见体力活动能耗测量的方法学研究[D].上海：上海体育学院，2012.

[2]戴剑松，孙飙，沈洪兵.加速度传感器测量体力活动的应用综述［J］.中国运动医学杂志，2009，28（6）：720-727.

[3] Valanou EM，Bamia C，Trichopoulou A.Methodology of physical-activity and energy-expenditure assessment：a review. J Public Health，2006（14）：58-65.

[4] Dugas LR，van der Merwe L，et al. A novel energy expenditure prediction equation for intermittent physical activity. Med Sci Sports Exerc，2005，37（12）：2154-2161.

[5] Crouter SE， Albright C，Bassett DR Jr. Accuracy of polar S410 heart rate monitor to estimate energy cost of exercise. Med Sci Sports Exerc，2004，36（8）：1433-1439.

[6] Strath SJ，Bassett DR Jr， Thompson DL，et al.Validity of the simultaneous heart rate-motion sensor technique for measuring energy expenditure.Med Sci Sports Exerc，2002，34（5）：888-894.

[7] Moon JK，Butte NF.Combined heart rate and activity improve estimates of oxygen consumption and carbon dioxide production rates[J].J Appl Physiol，1996，81（4）：1754-1761.

[8] Corder K，Brage S，Wareham N J，et al.Comparison of PAEE from combined and separate heart rate and movement modelsin children[J].Med Sci Sports Exerc，2005，37（10）：1761-1767.

[9] Corder K，Ekelund U，Steele RM，et al.Assessment of physical activity in youth.J Appl Physiol，2008，105（3）：977-87.

[10]Brage S，Brage N，Franks P W，et al.Reliability and validity of the combined heart rate and movement sensor Actiheart [J].Eur J Clin Nutr，2005，59（4）：561-570.

[11]Assah F K， Ekelund U，Brage S，et al.Accuracy and validity of a combined heart rate and motion sensor for the measurement of free-living physical activity energy expenditure in adults in Cameroon[J].Int J Epidemiol，2011，40（1）：112-120.

[12]Brage S，Brage N，Franks PW，et al.Branched equation modeling of simultaneous accelerometry and heart rate monitoring improves estimate of directly measured physical activity energy expenditure[J].J Appl Physiol，2004，96（1）：343-351.

[13]Crouter SE，Churilla JR，Bassett DR Jr.Accuracy of the Actiheart for the assessment of energy expenditure in adults. Eur J Clin Nutr，2008，2（6）：704-711.

[14]Corder K，Brage S，Mattocks C，et al.Comparison of two methods to assess PAEE during six activities in children[J]. Med Sci Sports Exerc，2007，39（12）：2180-2188.

[15]Brazeau AS，Beaudoin N，Bé lisle V，et al.Validation and reliability of two activity monitor for energy expenditure assessment[EB/OL]. Journal of Science and Medicine in Sport. 2014，http：//dx.doi.org/10.1016/j.jsams.2014-11-001.

通讯作者：庄洁（1971—），女，广东阳江人，博士，副教授，研究方向：运动与健康促进。

作者简介：宋攀（1991—），男，浙江衢州人，在读硕士，研究方向：运动与健康促进。

中图分类号：G804.6

文献标识码：A

文章编号：2095-2813（2015）02（c）-0231-02