三轴加速度传感器测量体力活动研究进展

舒潇

摘 要：随着时代的发展越来越多的人缺乏锻炼，体力活动水平低下。肥胖患者增多，伴随而来的是各种疾病已然成为全球问题。越来越多的居民开始关注体力活动，各种测量仪器也应运而生，加速度传感器就是一种，它具有体积小，易于携带，同时测量精确，可重复使用，价格低廉，对受试者影响小等优点，在国外被广泛应用于日常体力活动的研究。本综述将具体对加速度传感器校度、最佳佩戴时间、最佳佩戴位置以及生活中的应用等进行分析讨论。

关键词：三轴加速度传感器 体力活动 综述

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）05（b）-0230-02

WHO把体力活动定义为通过骨骼肌收缩消耗能量的任何身体移动。大量流行病学研究证明了体力活动的不足与许多疾病密切相关，如常见的心血管疾病、糖尿病、骨质疏松、肥胖症、部分类型癌症（结直肠癌、乳腺癌）等。体力活动量也不是越高越好，准确评定体力活动，就可获得健康与体力活动的关系，并获得长期行为趋势和评估干预效果。 回顾性调查法是目前国内测量体力活动的主要方法，但问卷获得结果常常是前后矛盾的。加速度传感器具有体积小，易于携带，同时测量精确，可重复使用，价格低廉，对受试者影响小等优点，被广泛应用于测量不同人群体力活动的研究。加速度传感器能精确测量体力活动的能量消耗、运动频率、运动强度和运动持续时间，且无需被测者进行回顾。现今在发达国家，加速度传感器应用于体力活动的研究已相当成熟。本综述对近年来文献进行了归纳总结。

1 加速度传感器测量方法研究

1.1 加速度传感器原理

加速度传感器的原理是通过感应物体加速度后，产生形变，再转化为电信号输出。形变越大，电压值越大，形变越小电压值越小。通常以加速度计数（activity count，AC）来表示加速度传感器的输出结果。根据材料的不同，可将加速度传感器分为压阻式、压电式、差动电容式等，根据感应轴数量可分为单轴、双轴、三轴加速度传感器。单轴加速度计只能测量一个方向的加速度，双轴加速度传感器能测量两个维度的加速度，三轴加速度能测量三维加速度，并且能计算出合加速度。人体的运动在矢状轴、冠状轴和垂直轴上均可运动，并可分为独立和联合运动，三轴加速度计可从不同方向测量人体运动，相比单轴和双轴加速度计精确度更高。但也有研究指出，大规模使用加速度传感测量体力活动，不管是使用单轴（GT1M）还是三轴（RT3），实验结果并没有区别。还有将三轴加速度传感器（RT3）垂直轴Counts和合矢量Counts与活动能量消耗作比较，结果发现合矢量Counts并未增加能耗的准确度。尽管如此也有研究者指出，三轴加速度传感器在测量日常体力活动中精确度比单轴更好。

虽然GT3和RT3都是三轴加速度计且都在科研工作中使用较多，但GT3和RT3拥有不同的滤过器，这导致相同的活动产生不同的加速度计数值（AC）。此外，仪器佩戴部位也会影响测量效果。王欢等人对三种加速度感应器测量多种身体活动校度进行比较，其中两种三轴加速度传感器，一种多轴加速度传感器，发现3种加速度计对坐姿于站立活动的测量值与K4B2的差异显著（P<0.05）。其GT3显著低估坐姿和站立活动能耗，而 RT3和SWA高估坐姿活动，低估站立活动的能耗，而且对坐姿到站力活动的能耗变化，3种加速度计都不能识别。因此，针对不同的人群应选择恰当的加速度传感器，以使实验结果更加精确完整。

1.2 加速度传感器的佩戴时间

1.2.1 佩戴时间的选择

正确制定佩戴时间能更精准的了解体力活动水平，了解活动周期是确定佩戴时间的关键，青少年大多为在校学生，活动周期为一周，较为稳定，一般为在校5d，休息2d。儿童的佩戴时间一般为4～8.5d，成年人则3～5.5d。有研究指出让青少年佩戴加速度传感器一周，能有效检测出青少年中高强度的体力活动，组内相关系数预测为0.76～0.87。青少年不同于上班族，他们拥有寒假和暑假。同时，人在不同季节的体力活动量也不相同。仅在一个时段测得的体力活动水平并不能代表运动习惯。因此，针对不同人群，要综合考虑季节和时段的因素，在不同时间反复测量，使研究结果更加准确。

1.2.2 采样间隔

在体力活动水平测量时，结果的可靠性选取于数据记录时间，也称为采样间隔。由于年龄的不同，采样时间也有差别，理论上认为儿童应采取最短的采样间隔，因为儿童的骨骼肌发育尚不成熟，易疲劳，工作时间短暂，需要捕捉其短时间的高强度活动。若采样时间过长，则可能平均高强度和低强度体力活动水平。王欢认为长的采样间隔会使受试者的高强度运动测量时间小于高强度运动实际时间，低强度和中强度运动测量时间小于低强度和中强度运动实际时间，只有采用较短的时间间隔，才能精确测量儿童青少年不同強度体力活动。

研究者针对测量青少年体力活动时可采用在身体不同部位佩戴多个加速度传感器的方法，在腰部、手腕、脚踝分别佩戴一个加速度传感器可测量青少年的大部分体力活动。但Plasqui等研究发现，佩戴于腰部和手腕的加速度传感器会对能耗值的测量带来2%的变化。佩戴两个或多个加速度传感器能使能量消耗测量值更接近实际值，但受试者因佩戴数量过多而不适，并且还提高了测试成本，因此，要根据其运功，不同年龄层的运动特点适量增加传感器的数量。增加加速度传感器的数量值与对能量消耗测量准确度的关系还有待进一步研究。

2 加速度传感器的实践应用研究

2.1 在测量青少年体力活动中的应用

有调查显示，大多数家长支持孩子在课余进行体育锻炼，国外研究显示，家庭中是否拥有运动器材是影响青少年体力活动水平又一因素。家庭拥有运动器材的中学生 MVPA（Moderate-to-Vigorous Physical Activity中强度体力活动）更长，而静态行为较短，这说明学生在家里使用运动器材运动的可能性很大，正是因为家长对体育锻炼的热爱或者是孩子对体育锻炼的热情，才导致这个家庭购买运动器械，即使这些孩子不在家进行体育锻炼，在学校进行体育锻炼的可能性也比其他孩子高，才导致这些学生的MVPA高于家中没有运动器械的学生，而静态行为较短。

交通方式对青少年的体力活动水平也有很大影响，作为日常体力活动的一部分。有报道显示，青少年大多步行或者骑自行车上学，这两种学生的体力活动水平区别于乘车上学的学生，步行或骑自行车上学的学生体力活动水平明显较高。自己步行或骑自行车的中学生，AI（Average Intensity 平均活动强度）更大，MVPA有更多的时间，静态行为也更少，虽然从家到学校的距离不是很长，但这一段交通中学生消耗的能量不容忽视，它占据了一定的运动时间以及运动强度。

2.2 在监测肥胖人群运动干预中的应用

人类的生活方式越来越自动化、智能化，这虽然给人类带来了便捷，然而也带来了一个国际难题——肥胖。肥胖率的提高伴随着非传染性疾病概率的提高，其中儿童期肥胖造成的不良后果更为严重，它不仅会造成孩子成年后肥胖风险提高，也可能造成孩子早逝、残疾等。因此我们对肥胖人群的运动干预刻不容缓，加速度传感器就是一种新型的监控方式。

3 结语

（1）针对不同年龄的受试者使用的采样间隔有待进一步研究，建议青少年佩戴加速度传感器一周，条件具备时增加跟踪研究，不同季节和不同年份的调查，能有效检测出青少年中高强度的体力活动。较短采样间隔能精确测量儿童青少年不同强度体力活动。将加速度传感器佩戴在腰部，能够准确测量出青少年体力活动水平，反映出日常活动绝大多数能量消耗。

（2）要从多个方面考虑青少年的体力活动水平的影响因素，通过使用加速度传感器测量不同生活方式的青少年，发现家庭、交通、学习压力等都可能对青少年的体力活动水平造成影响。加速度传感器作为一种新型的肥胖监控仪器正在逐步推广，它可以激励肥胖患者进行体育锻炼，从而帮助他们远离肥胖，远离肥胖带来的疾病。

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