应用加速度传感器监测校园短距离定向运动负荷的研究

向剑锋，李永刚

定向运动是一项具备健身性、知识性、国防性和趣味性等特点的运动项目。校园短距离(3km左右)定向运动已在我国高校广泛开展。研究已证实长期定向运动锻炼可改善身体形态、增强人体的心肺耐力和灵活性[1,2]。尽管国外部分学者曾对定向运动的生理负荷进行了一定研究，但研究对象主要为专业定向运动员，其监测指标主要为运动员的HR和血乳酸，针对定向运动业余爱好者的研究较少[2—13]。为了在高校更加科学地开展定向运动，有必要专门针对校园短距离定向的运动负荷进行研究。加速度传感器和心率传感器不仅佩戴方便，还可较准确地监测体力活动的能量消耗，在监测走跑类活动的运动负荷时尤为准确[14—16]。笔者应用美国Actigraph公司生产的具有心率接收装置的Actitrainer三轴加速度传感器(简称Actitrainer)对大学生校园短距离定向运动进行实时监测，以运动强度(METs)和心率(HR)等指标分析该项目的运动负荷，以期为高校定向运动的科学开展提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

在高校定向选修课和定向运动俱乐部中随机抽取43名大学生作为受试者。其中有效样本量共计39人，受试者基本情况见表1。受试者自愿参加本项研究，研究期间身体健康。

表1 受试者基本情况

1.2 研究方法

测试仪器主要为Actitrainer加速度传感器(美国Actigraph公司生产)和T31型poalr HR传感器(芬兰产)。Actitrainer体积为8.6cm×3.3cm×1.5cm，是一个将Actigraph GT3X内部加速度感应模块和HR接收装置相结合的加速度传感器。使用专用弹性腰带将Actitrainer固定在受试者右侧髋部肚脐水平，并在胸部佩戴polar心率传感器。Actitrainer可感应身体活动时垂直轴、冠状轴和矢状轴的加速度记数，并整合为三轴综合记数(vector magnitude，VM，单位：counts/min)；还可同步接收Polar表测得的HR数据，Actitrainer的参数设置和数据统计在配套软件Actilife 5.0中进行。本次测试中将其采样时间设为5s，下载数据后转换为1min的数据进行分析。

测试在2周内的15次定向体育课中进行，每次体育课依次安排2～3名受试者进行测试。受试者参加测试前已熟悉定向运动的规则和要领，并经过多次定向运动练习。所有测试都在同一场地进行，测试区域面积为800m×500m，定向地图比例为1:4000(地图上的1cm = 实际地形上的40m)，等高距为5米；各点标直线总距离为男生2 500m、女生2 000m；点标数量为男生12个，女生10个。教师先按地图上的点标预先摆放读卡器，受试者不得提前了解场地设置的相关信息。

测试中受试者在手臂处佩戴打卡器，每到达一个点标时必须使用打卡器进行打卡，以证实已找到此点标。打卡中有2个(含2个)以上点标顺序出错则记为无效数据。测试前向受试者发放主观疲劳感觉(RPE)量表，并对量表进行详细说明。受试者在测试结束后30s内填写RPE量表。测试人员记录受试者的起止时间，测试末不足1min的时间记为1min。

1.3 数据处理

使用SPSS 15.0统计学软件对数据进行统计分析。应用国内学者建立的Actigraph三轴加速度传感器能耗预测方程和3METs、6METs所对应的VM临界点来监测定向运动的强度(单位：METs)和低、中、高强度运动所占时间(min)[16]。采用独立样本t检验比较不同性别的组间差异，统计学检验显著性水平设为P<0.05和P<0.01。

2 研究结果

2.1 加速度传感器VM数据分析

测试中有4人因出现2次及以上读卡错误而被记为无效样本，其余受试者均顺利完成测试。根据监测数据，可获得每位受试者测试时VM的均值(VMmean)、最大值(VMmax)和最小值(VMmin)，见表2。

表2 校园短距离定向测试VM数据一览表(counts/min)

注：**表示男、女大学生之间差异性具有高度显著性水平(P<0.01)。

2.2 校园短距离定向的运动负荷分析

35名受试者在30min之内完成了测试，占有效样本的89.7%；27名受试者的RPE评分达到14和15，占有效样本的69.2%。根据实测数据，可分析测试中的平均HR(HRmean)、最高HR(HRmax)、最低HR(HRmin)以及RPE评分和总耗时(单位：min)；根据VM数据，可推算出每分钟的运动强度(单位：METs)，并统计每位受试者定向测试中的平均强度(METmean)、最大强度(METmax)、最小强度(METmin)和总运动量(METsum，单位为METs·min)，见表3。

表3 校园短距离定向的运动负荷

注：*表示男、女大学生之间差异性具有显著性水平(P<0.05)；**表示男、女大学生之间差异性具有高度显著性水平(P<0.01)。

2.3 校园短距离定向测试中不同负荷等级的时间分布

在前期研究中，本课题组建立了3METs、6METs所对应的VM临界点，分别为2 505 counts/min和5 924counts/min[16]。以此为依据，本研究将运动强度划分为低、中、高3个运动强度等级。同时，参考Bird[3]的研究方法，以100次/min、120次/min、140次/min和160次/min为临界点，将受试者测试中每分钟的HR划分为5个等级，上述临界点分别约相当于受试者最大HR(220-年龄)的50%、60%、70%和80%。本次测试中不同运动强度等级和HR等级所占时间比例见表4。

表4 校园短距离定向测试中各强度级别和HR级别的时间分布

注：*表示男、女大学生之间差异性具有显著性水平(P<0.05)；**表示男、女大学生之间差异性具有高度显著性水平(P<0.01)。

3 讨论

校园定向运动在我国高校已广泛开展，受到了大学生的广泛欢迎，但目前还缺少对该项目的生理学研究[1]。三轴加速度传感器可感应运动时身体多个轴向的加速度记数。研究广泛证实三轴加速度传感器测得的VM可有效应用于运动强度和能耗的监测，已有多项研究应用三轴加速度传感器监测日常体力活动的能耗和中高强度体力活动时间，但将其应用于定向运动的研究较少[14—16]。在众多运动传感器品牌中，Actigraph运动传感器是应用最广的品牌之一。其三轴传感器包括Actigraph GT3X、Actitrainer和Actigraph GT3X+等系列，国外研究已证实了其信度和效度[15]。但是，研究发现Actigraph运动传感器配套软件Actilife中的能耗预测公式和VM临界点并不适合于中国青年，因此国内学者建立并验证了适合中国青年的Actigraph 三轴传感器能耗预测公式和VM临界点[16]。在此基础上，本研究尝试应用Actitrainer实时监测定向运动时的VM和HR，并根据这些数据分析该项目的运动负荷，以期为更科学地开展校园定向运动提供理论依据。

目前国际公认的体力活动能耗纲要对定向运动的强度界定为9METs，与越野跑的运动强度相同，而慢跑强度为7～8 METs，竞走的强度为6.5METs；走跑交替的强度为6METs[17]。校园定向运动与专业定向比赛的场地、距离等都有差别，体力活动能耗纲要尚未对该项目的强度进行界定。根据本研究中加速度传感器的监测结果，大学生校园短距离定向运动的平均强度为6.1METs，与“走跑结合”的运动强度相似。本研究还显示，大学生校园短距离定向运动平均最高强度为8.2METs，平均最低强度约为2.9METs。可见该项目的运动强度以中高强度为主，绝大部分时间内校园短距离定向运动强度位于3～9METs范围。

与校园定向运动相比，专业的定向越野比赛的运动强度较高。国外部分学者对定向越野比赛中专业运动员的监测表明，中长距离定向赛的运动强度约为83%VO2max或94.6%个体无氧阈(IAT)；激烈的中长距离定向比赛中运动员的平均HR、平均摄氧量等指标都达到了峰值的90%左右，与马拉松的运动强度相似[2—13]。有研究显示，尽管运动员比赛中血乳酸平均水平约为4～6 mmol/L，但在快跑阶段血乳酸水平超过7mmol/L。提示定向比赛中包含了一定比例的无氧运动[2,4,5]。定向运动中的运动强度、能量消耗与其特殊步态有关。由于定向越野比赛中道路不平坦，运动员必须调整步频和步幅，以适应路面的多种状况，这种跑步方式使能量消耗增加[11—13]。Jensen等[11]发现在崎岖的山路上跑步比在平地上跑步能耗高出41～52%，在平地跑中定向运动员能耗也略高于中长跑运动员。为便于观察地图，运动员跑动中需手持地图且将地图放置在一个合理的位置，这也是影响定向运动员步态的另一个重要因素[13]。越野定向运动中还包含了上坡跑、下坡跑、转向跑和冲刺跑等内容，经过长期训练，优秀运动员的爆发力明显高于业余运动员[4]。因此，要想取得优秀的比赛成绩，定向运动员不仅应具有良好的心肺耐力和下肢力量，还需具有优秀的无氧运动能力和导航能力[12,13]。就其健身效果而言，除了具有与跑步相似的健身效果外，定向运动还可锻炼参赛者的身体协调能力、下肢力量及无氧运动能力。

本研究表明校园定向运动平均强度较低，这可能与比赛场地、参赛者的技术和体能水平等相关。校园定向运动的场地是在校园之中，道路较平整，山路、上下坡路段较少，受试者对场地的熟悉度远高于定向越野比赛，因此运动员测试中的运动强度受步态影响较小。此外，大学生体能水平和识别点标的能力都较低。为较好地调节身体状态，提高识别点标的准确性，大学生多选择跑步或快走、慢走相结合的运动方式，这可能是校园短距离运动强度较低的另一个重要因素。

在识别点标的过程中，运动员常在行进间放慢速度，在点标识别难度较大时甚至停下脚步，因此定向运动中也包含了一定比例的低强度运动。加速度传感器监测结果显示，校园短距离定向运动的最低强度与慢走的运动强度相似。但是，低强度活动仅占定向运动中的极小部分，男、女生3METs以下的运动时间所占比例仅分别为6.0±4.4%和8.7±5.3%。有8位受试者全程运动强度都高于3METs。对于业余选手而言，定向测试的难度是决定其低强度活动时间的关键。测试难度越大，识别点标、选择路线所耗时间越长，低强度运动所占比例越高。受场地等因素影响，校园定向的测试难度相对较低，多数学生可在较短时间内正确识别点标。总体上看，该项目的低强度活动所占比重较低，保证了该项目有较高的锻炼价值。

ACSM建议成年人每周至少5天每天参加30min以上的中高强度运动(≥3METs)，每次运动持续10min以上，每周运动量不低于450METs·min[18]。本研究显示，校园短距离定向运动中绝大部分时间的运动强度高于3METs；该项目的运动时间较长，大学生完成一次普通的短距离定向测试需要持续运动约20～30min；该项目的运动量较高，平均运动量约为150 METs·min；测试结束后2/3以上受试者的RPE自评值为14～15，其自我疲劳感觉介于 “有些累”和“累”之间。根据以上运动强度、持续时间和运动量可知，该项目有利于提高大学生的身体活动水平，增强其心肺功能，具有较高的健身价值。在教学实践中，教师还可通过调整定向测试的总距离和点标识别难度来调整运动负荷，从而达到不同的锻炼效果。

HR是反映运动负荷的经典指标，Bird等[3,7—9]学者对定向运动中的HR开展了一系列研究，结果显示定向越野赛中绝大多数时间内专业运动员的HR在140次/min～180次/min范围，业余运动员平均HR约为158次/min，最高HR约为175次/min，在步行比例较大的定向赛中平均HR约为150次/min，在跑步比例较大的定向赛中平均HR约为160次/min。另一些研究显示专业运动员在定向比赛中平均HR可达170次/min且波动较小[5,10]。本次定向测试中大学生平均HR为144.7次/min，明显低于定向越野赛的HR水平。但是，受试者平均最大HR为170.8次/min，HR达到140次/min的时间超过50%，达到120次/min的时间超过70%。说明测试中大部分时段的运动强度较高。从以上对HR的监测结果可知，校园短距离定向运动以中高强度为主，其HR低于正式定向越野比赛的水平。

值得注意的是，本研究对校园短距离定向运动的测试显示，加速度传感器和HR各自反映的运动负荷存在一定的差异。以VM推算的平均运动强度(6.1METs)明显低于慢跑的运动强度(7～8METs)[17]，但从测得的平均HR水平来看该项目的运动强度已接近慢跑水平。导致这种差异性的原因可能与大学生心肺耐力水平较低有关，也可能与HR易受情绪波动的影响有关。由于定向运动中情绪因素可能导致HR剧烈波动，有学者指出HR并不能准确反映定向比赛中的运动负荷，本研究结果也在一定程度上证实了这一观点[5,11]。为了更全面地分析定向比赛中运动员的生理指标，Smekal等[5]曾采用气体代谢仪分析定向比赛中运动员的摄氧量水平，遗憾的是该研究未以METs等相对能耗指标评估定向比赛的运动强度。便携式气体代谢仪是公认的运动负荷测定金标准，在未来的研究中可考虑应用该仪器对定向运动负荷进行更准确的监测。

本研究还发现，受试者的各心率级别所占时间比例存在较大个体差异，这可能与受试者识图能力的个体差异有关。对受试者个体HR的统计可发现，耗时最长的学生全程中HR高于120次/min的时间比例仅为50%，而成绩最好者的对应比例高于90%。Creagh[2]的研究也证实，业余运动员比赛中HR波动较高，HR标准差可达10次/min，而许多专业运动员比赛中HR的标准差仅为3次/min，参赛者的识图能力是影响HR波动的最主要因素。可见，在定向运动教学实践中，教师要尽可能地通过增强学生的识图能力来提高中高强度运动时间，从而提高学生在测试中的HR水平，使其达到更大的锻炼价值。

此外，定向运动中大学生对不同运动强度的时间分配存在一定性别差异。男生在测试中的平均运动强度和最高强度高于女生，男生进行大强度(≥6METs)运动的时间比例也高于女生(P<0.05)，但男生进行中等强度(3～6METs)运动的时间低于女生(P<0.01)。此外，由于路线设计中男生的运行距离比女生长，男生在测试中的总运动量高于女生。以上性别差异可能主要是因为男生中高速冲刺跑的能力高于女生[9]。但是，男、女生运动中的RPE评分及HR的均值、最大值和最小值都无显著的性别差异，提示大学生运动中可能主要以自我感觉疲劳程度来控制运动强度。

4 小结

从以上分析可知，校园短距离定向运动是一个以中高强度为主的项目，其平均运动强度约为6.1 METs。该项目有利于提高大学生身体活动水平，增强大学生心肺功能，同时还兼具益智性、娱乐性等特点，在高校具有很大的推广价值；该项目具有很大的灵活性，教师可通过地图设计来调整运动强度和运动量；加速度传感器可较客观地监测定向运动的负荷，并且佩戴方便，可在定向运动的教学与训练中加以应用。

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