青年人站立能量消耗水平及分型研究

2019-07-29陈庆果彭彪

中国运动医学杂志 2019年6期

陈庆果彭彪

四川师范大学体育学院（成都610101）

静坐少动行为被认为是预测健康风险的独立因素[1，2]，对久坐行为的干预研究逐渐成为学界的热点，越来越多的学者关注在日常生活中融入低强度的体力活动来间断静坐行为，例如健身操[3]、步行[4]和原地踏步[5]等，其中站立被视为是一种最便利的降低久坐行为风险的干预手段[6]，相关研究从能量消耗的角度认为穿插在静坐中断断续续的站立能够增加能量消耗[7，8]，然而这些研究中往往要求受试者保持完全的静止，有意识地避免晃动，并且该类研究中往往没有去剥离站-坐转换产生的额外能耗，缺乏对站立稳定状态下能量消耗的测评。

随着该领域研究的不断深入，Chan等[9]率先发现了站立能耗反应的个体间差异，提出了站立能耗经济性概念。后续研究[10]根据站立时能耗的增幅（相对于静坐）和站立时能耗的动态变化情况将个体分为能耗节约型和能耗耗费型，并且对能耗分型的原因进行了初步的分析，提出了晃动假设，认为分型与个体无意识的晃动有关，但研究结果并不支持该假设，不过值得注意的是该研究中采用两个体重秤组成的简易装置，只进行了一维测量，与实际情况有较大偏差，从该研究中指标的显著性概率，结合神经疾病与康复方面对无意识的晃动的研究成果[11-13]，推测阴性的结果可能是由于测量工具造成的。而在跑步经济性的研究中，Heise[14]等发现跑步经济性与下肢肌电特征密切相关，另外一项研究则发现，氧耗和能耗与跑速存在线性关系，随跑速的增加而增加，研究发现股二头肌活动增加，并与能量消耗相关[15]，而站立与跑步的肌肉工作性质、工作条件完全不同，同样的现象是否也出现在站立中目前还缺乏相关的研究。

鉴于此，有必要从站立的能耗分型的机制入手，利用气体代谢分析系统、三维测力台和表面肌电遥测系统收集相关数据，深入探讨身体无意识晃动、肌肉肌电以及一些生理指标与能耗分型的关系。在此基础上，延伸站立的形式，将个体站立时出现的缓慢原地踱步、原地单脚移步和双脚移步等情况纳入到能耗考察中，提高站立能耗测量的生态效度，为后续相关研究提供实证基础，为久坐行为的干预提供实证依据，

1 对象与方法

为了更为全面地考察青年人站立时的能量消耗特征，本次研究共分为2个部分，第一部分为站立时能耗分型的研究，总计招募和测试了42 个受试者，每个受试者正式测试时间为39 分钟；第二部分是对站立的4种形式进行能量消耗的探究，18名受试者分别进行59分钟的测量。

1.1 研究1：站立时能量消耗的分型研究

（1）测试对象

受试者为42名青年人（男性19名，女性23名），年龄均在18～29 岁之间。测试前通过电话或者微信进行问询，保证受试者肢体健康、无孕妇或哺乳状况、无吸烟史、无系统运动训练史、无任何代谢类疾病且近7天内未服用任何药物，并且确定女性受试者测试时均处于卵泡期。为确定能耗测量的稳定性，其中的8 名受试者进行了2次测量。

表1 研究1中受试者人体测量特征

（2）测量仪器

采用恒康佳业HK-6000身高体重仪测量受试者身高和体重，使用韩国VIVENTE-GOLD 体成分仪测量体脂率。

受试者气体代谢指标的收集采用美国AEI公司生产的MAX-Ⅱ气体代谢分析仪，该设备采用混合气箱法（高速、低阻抗4.2L小混合室法），目前在国内广泛使用，其氧气和二氧化碳的测量精度均在±0.03%之间，测量的准确性得到了广泛验证[16]。每天测试前均对仪器进行预热和定标。测试中，测试人员在每一分钟第一秒开始正式记录数据，确保各仪器设备之间数据的同步。VCO2、VO2、呼吸频率和心率等数据被MAX-Ⅱ系统同步监测和记录；呼吸商是VCO2和VO2的比值；心率监测使用的是系统自带的心率带Polar-T31。

采用足底压力中心点的移动距离（distance of center of pressure，简称D-COP）来反映受试者站立时无意识的晃动，COP 的测量采用美国产AMTI 三维测力台，尺寸为60 cm*60 cm，测量精度为±0.1%，采样频率为10 Hz，获取的原始数据为二维的位置数据，通过编写公式计算D-COP，测试时受试者赤足站立于测力台上。

采用美国产NORAXON 表面肌电仪收集与维持站立姿势相关的下肢胫骨前肌、内侧腓肠肌和股直肌的肌电信号，在粘贴电极前对皮肤表面进行打磨，而后用酒精擦干净皮肤。采用双极记录方式，避开神经支配区域，将2个电极置肌腹最隆起处，2个电极之间2 cm，其连线与肌纤维平行，采样频率为1500 Hz。因为受到坐姿状态下座椅的影响，本研究未收集臀大肌、股二头肌和竖脊肌的肌电信号。

（3）测试方案

正式测试之前的24个小时内，受试者避免中到大强度的体力活动，禁止食入咖啡、刺激性饮料和营养补剂；测试前8个小时内不再进食。测试时，首先进行形态学指标的测量，然后戴上呼吸面罩熟悉设备、黏贴肌电电极和佩戴心率带，20 min 后将面罩连接上MAX-Ⅱ主机，准备开始进行测量。

能耗测试时受试者首先以自认为舒适的坐姿静坐15 min，间歇2分钟后光足站立在测力台上10 min，站立时要求受试者自然、放松的同时又要避免刻意的晃动，站立完成后经两分钟间歇后再次静坐10 min。测试流程见图1，所有姿态的转换在间歇期内的头10 s完成。为缓解测试时枯燥，为受试者播放平缓的纪录片《植物王国》。

8名受试者重复测量时的流程与上述流程完全一致。

图1 研究1测试流程

（4）数据的处理与分析

将前期从MAX-Ⅱ中导出的原始数据转制为每分钟的数据，通过指标VCO2和VO2计算呼吸商（简称RQ），能量消耗（energy exPenditure，简称EE）的计算采用经典的Weir 公式[17]，EE（kcal/day）= 5.68VO2+1.59VCO2-2.17Nu，Nu 为总尿氮，用一次性收集的尿液测量出的总氮并不能反映测量这段时间内的蛋白质氧化情况，因此本研究未予以测量，参考Charriere 等[18]和Fares等[19]的研究，将其设置为常量13g/24h。

依据Miles-Chan 等[9]提出的标准对受试者站立时的能耗进行分型。能量节约型受试者需满足下列2个条件之一：（1）相对于静坐，站立时的平均能量消耗的增幅小于5%；（2）相对于静坐，站立时第1 个5 min 平均能耗增幅大于5%，但站立阶段第2个5 min比第1个5 min 能耗的降幅大于前期增幅（第1 个5 min 相对于静坐）的30%。如果条件2中第2个站立阶段的降幅小于30%，则划定受试者为能量耗费型。

采用SPSS22.0 统计软件计算各指标的平均数和标准误；独立t检验进行能量节约型和能耗消耗型受试者之间多个指标的横向比较，配对样本t检验比较第1 阶段静坐和第2 阶段站立之间多个指标的均数的显著性差异；复测量方差分析中的Bonferroni 比较分析各时间点生理指标两两之间的显著性差异；采用Matlab7.0 编写专门语言对D-COP 的时域数据进行快速傅里叶变换，将其转换频谱图；采用logistic 回归筛选出能耗分型的相关影响因素。取P＜0.05 为差异具有统计学意义。

1.2 研究2 ：多种站立形式的能量消耗研究

（1）测试对象

受试者为18 名青年人，年龄18～29 岁之间，男女各半，受试者要求与测试1相同，形态学特征见表2。

表2 研究2中受试者人体测量特征

（2）测量仪器

身高、体重、身体成分、心率、呼吸频率以及呼吸商等指标测量所需的仪器设备和测试要求与研究1相同。

（3）测试流程

除了测试前让受试者熟悉不同类型站立的动作要求和整个能耗测试流程外，其它测试前的准备工作、形态学指标的测量与仪器设备的熟悉过程均与研究1相同。

能量消耗的测量分为8 个阶段，依次为静坐、站立、静坐、原地踱步、静坐、站立原地单脚移步、静坐和站立原地双脚移步，每个阶段均为5 min，阶段之间间隔2 min，整个测试需要59 min，在间隔的头10 s内完成站坐的转换。测试流程见图2。原地踱步、站立原地单脚移步和站立原地双脚移步都是模拟人体自然放松站立时的情景，每1 min 内执行动作30 s，站立休息30 s，执行动作频率为40次/分，每次动作需1.5 s，按照节拍器的指示来完成，原地踱步要求受试者脚离地，原地单脚或原地双脚移步的动作顺序见图3，单脚移步时人体重心基本不动，双脚移步时人体重心有小范围的移动。

图2 研究2测试流程

图3 原地单脚移步和原地双脚移步示意图

（4）数据的整理与分析

将从MAX-Ⅱ中导出的原始数据转制为30 s的数据，采用SPSS22.0 统计软件计算各指标的平均数和标准误，采用重复测量方差分析中的Bonferroni比较分析各组别之间的差异。

2 结果

2.1 不同能量消耗类型受试者能量消耗水平及生理指标变化（研究一）

（1）能量消耗

42名受试者中有30名为站立能耗节约型，占比为71.4%，站立时每一分钟的能量消耗均值与基线数据（第1阶段静坐的均值）相比差异均无统计学意义。受试者中有12人为能量耗费型，占比为28.6%，在整个站立阶段，能耗增加11.6%[0.14（0.07，0.20）kcal/min]，增加的幅度具有统计学意义（见图4A、4B）。

42名受试者中有8名受试者进行了重复测量以验证站立时人体能耗反应的稳定性，结果显示只有16号受试者站立时每分钟能耗增幅的均值前后两次存在显著性差异（t=12.734，P=0.000），其它7 名受试者增幅均值的差异均无统计学意义（见图5），也仅有16 号受试者前后的站立能耗分型不一致。

静坐时，女性的能量消耗显著低于男性[女性：1.01（0.95，1.07） kcal/min；男性：1.23（1.15，1.31） kcal/min]。但两个群体在站立时能量消耗的增幅百分比上差异并无统计学意义（t=0.782，P=0.439），卡方检验显示不同性别的受试者在站立能耗的分型上也无统计学意义（χ2=0.487，P=0.472）。

在体重、身高、坐高、骨骼肌含量这些形态学指标上，两种能量耗费类型的受试者之间的差异并无统计学意义，同时也没有发现站立时能量改变的百分比与上述指标存在统计学意义的关联关系。

（2）呼吸商（respiratory quotient，RQ）

站立时每分钟的呼吸商见图4C，静坐时呼吸商为0.849，95%CI 为0.825～0.870，站立时呼吸商为0.842，95%CI为0.820～0.864，两阶段均值之间的差异无统计学意义（t=0.823，P=0.415）。能量耗费型和能量集约型在站立呼吸商的降幅百分比上差异也无统计学意义（t=0.623，P=0.536）。以受试者个体为统计单位，相对于第一阶段静坐，站立时呼吸商的变化和能量消耗量的变化之间无统计学意义的关联关系（r=-0.246，P=0.207）。

（3）心率（heart rate，HR）

受试者静坐时平均心率为69次，站立时心率为84次，差异具有统计学意义（t=13.82，P=0.000）。安静时的心率以及站立时心率的增加值在能量消耗的不同类型受试者之间无显著性差异（t=0.460，P=0.648 和t=0.505，P=0.616），站立时能量消耗的改变和心率的变化之间的关联关系无统计学意义（r=0.041，P=0.838）。

（4）呼吸频率（ breathing rate，BR）

静坐和站立时呼吸频率差异存在统计学意义（t=3.452，P=0.001），分别为16.4和17.4次。在站立能量消耗的增幅上和静坐时能量消耗上，能量节约型受试者和能量耗费型受试者之间的差异均不具有统计学意义（t=1.758，P=0.086和t=1.920，P=0.062）。

（5）肌肉积分积电（integrate electromyography，IMEG）

能量耗费型受试者在胫骨前肌、内侧腓肠肌和股直肌上积分肌电的增加值（相对于基线数据）分别为1.4、1.13 和7.36，能耗节约型分别为0.95、0.45 和4.34（见图6），两种类型的受试者在内侧腓肠肌和股直肌上的差异均存在统计学意义（t=2.194，P=0.034 和t=2.720，P=0.009），在胫骨前肌上的差异不存在统计学意义（t=1.505，P=0.140）。

图4 各阶段能量及生理指标动态变化

图5 8名受试者前后两次测量站立能耗增加值比较

图6 不同类型受试者站立时积分肌电变化

2.2 不同类型受试者站立时身体无意识的晃动情况（研究1）

尽管D-COP 在个体间存在较大的变异（SD=0.587），但两种站立能耗类型受试者在整个10 分钟内的D-COP存在着显著性的差异（t=2.232，P=0.032）。

为更好地从D-COP 的时域信号中解析D-COP 和能耗分型的关系，使用快速傅里叶变换（FFT），分别将不同能耗类型前10 分钟内D-COP 的时域信号转变为频域信号，从图7可见，在绝大多数的频谱上，能量耗费者频率的振幅均较能量节约者更大，这提示该类型受试者无意识晃动时往往幅度更大，这提示无意识的晃动可能是影响站立能耗分型的因素。

图7 不同类型受试者D-COP频域图

2.3 站立能耗分型的原因分析（研究1）

对因变量进行编码，1 代表能量耗费型、2 代表能量节约型，将心率、呼吸频率、积分肌电等指标站立与静坐的差值以及站立时的D-COP 作为自变量，进行二元logistic 回归，从表3回归结果看，D-COP（OR=13.029、P=0.027和）和ΔIMEG股直肌（OR=15.75、P=0.013）的OR 值均大于10，并且P值小于0.05，95%CI 均横跨过1，根据判断标准，其与站立能量消耗的分型存在着很强的联系。ΔIMEG内侧腓肠肌的OR 为1.892，大于1，P=0.025，表明该指标也与站立能耗分型有关。

表3 站立能耗分型因素的logistic检验

2.4 多种站立形式的能量消耗水平及生理指标变化（研究2）

（1）能量消耗

站立、原地踱步、原地单脚移步和原地双脚移步时候能量消耗（kcal/min）分别为1.27、1.62、1.69 和1.80，与基线数据（第一阶段静坐）相比，分别增加了6.7%、36.2%、42.0 和51.3%（见图8A）。采用重复测量方差分析中的Bonferroni 多重比较，结果显示站立与踱步、原地单脚移步、原地双脚移步之间均存在显著性差异（P=0.017、P=0.004 和P=0.001）。由图8B 可见，四种站立形式的METs 分别为1.23、1.45、1.59 和1.67，在1.5 METs 的静休活动与小强度体力活动的分界点附近。

（2）呼吸商

四种形式的站立呼吸商分别为0.854、0.849、0.848和0.849（见图8C），与基线数据相比差异均存在统计学意义（P=0.041、P=0.024、P=0.026 和P=0.024），踱步、单脚移步和双脚移步与站立在呼吸商上无显著性差异（P=0.564、P=0.605和P=0.511）。

（3）心率

四种站立形式每分钟的心率分别为80.25 次、81.5次、81.8 次和82.8 次，两两之间均无显著性差异（见图8D），但与基线数据（68.8次）相比，心率均提高11次以上，差异均具有非常显著性，P值均为0.000。

（4）呼吸频率

与基线安静时的呼吸频率（16.6 次/分）相比，站立与原地踱步的呼吸频率分别为17.6次/分和18.2次/分，差异均不具有显著性（P=0.832 和P=0.106），而原地单脚移步（19.1 次/分）和原地双脚移步（19.3 次/分）与基线安静时的呼吸频率差异具有统计学意义（P=0.021和P=0.010）。

图8 不同自然站立形式的能量消耗与生理指标变化

3 讨论

3.1 实验方案的设计分析

研究1的方案设计主要为探讨站立能耗经济性的因素，研究2 的方案主要为考量各种站立形式的能量消耗，无论是研究1 还是研究2，每个阶段之间均设计了2 min 的间歇时间，并规定在间歇期起始段完成各动作的转换，这主要是为了测量静坐和站立稳定阶段的能耗情况和各种生理指标，避免动作转换而额外产生能量消耗。

本研究让受试者佩戴面罩收集代谢气体进行分析，为让受试者适应新的呼吸环境，减少应激，测试前均先佩戴面罩20 min。此外，在本研究中每个受试者均完成各个阶段的实验，即使产生应激现象，也会贯穿于整个测试中，对站立能耗的变化的影响很有限。因此，站立时能量消耗的分型不是因为受试者的心理应激。并且实验1 中从生理指标上看，呼吸频率和心率在3 个阶段内均相对稳定，这也表明实验的结果受到心理因素的干扰较少。为探究站立能耗分型测量结果的准确性，本研究还对实验1中的8名受试者进行了重复测量，结果也显示其中7 名受试者站立能耗结果前后两次是一致的，表明了个体站立能耗分型具有一定的稳定性。

本领域过往对站立能耗的测量往往都要求受试者站立时处于绝对的静止，脚和手臂做了严格的限制，不能有丝毫的移动，这显然与实际情况有一定的出入。因此，实验2 中站立时脚步移动的动作设计和频率限定是模拟常人自然站立时的脚步状态，动作频率为每分钟40 次，非常缓慢，旨在提高站立能耗测量结果的生态效度。

3.2 个体站立时能量消耗分型的影响因素解析

本研究的结果显示42 名受试者中有30 名受试者为能耗节约型，相对于静坐，在稳定站立阶段并没有持续增加EE。这与Miles-Chan 等[9]的研究结果是一致的，并且还得到相关研究的支持。在对低强度活动能耗经济性的研究中，Jones 等[20]和Maloiy 等[21]发现非洲的妇女头顶20%体重的水无需消耗额外的能量，Lloyd等[22]对此进行了系统研究后发现这种人体载荷情况下的能耗经济现象也存在着较大的个体差异，但这种差异与人体的形态学指标几乎没有关系，这与本研究的结果有相似之处。此外，在对步行经济性的探讨中，有学者发现人体能够连续地、自发地调整和优化运动，从而使能量成本最小化，通过短暂地扰乱正常的步态模式，在几分钟内快速调整步频就能达到节约能量的目的[23]，而个体在维持站立姿态时是否也存在这种自我调整与适应的过程值得研究。

在本研究中，内侧腓肠肌和股直肌站立时积分肌电的增加值与能耗分型相关，消耗型受试者的积分肌电的增幅显著高于节约型，这表明能量耗费型受试者维持站立姿态所需动员的肌纤维更多。目前，对于站立姿态维持时的肌电研究探究更多集中在康复患者与健全人之间的比较，李卓等[24]等发现脑卒中患者站姿和坐姿之间的健侧肢体胫骨前肌和腓肠肌积分肌电的差值都远大于正常人，国外在对神经性疾病的类似研究中也得出相似的结论[12，13]。但这些研究都没有考察肌电变化差异与摄氧量变化之间的关系，也就无法为本研究的结论提供直接的证据。而对跑步经济性的研究中，多探讨能量消耗和下肢肌电的关系，认为下肢肌肉支撑阶段的预激活，能够提高肌肉-肌腱联合体的储能能力，从而提高跑步经济性[25]，两者之间存在正向关联关系，与本研究的结果相反，但也表明两者之间存在联系，并且表明能耗经济性与关节附近肌肉的激活模式有关，关联关系的方向不同是因为肌肉工作的性质和条件不同。

本研究的结果还显示，站立时能耗分型还与受试者身体无意识的晃动相关，这与Chen 等[10]的研究结果有所不同，这可能是由于Chan在研究中使用一维重心测量的简易仪器进行测量，不能反映矢状轴上的重心投影变化情况所致。从本研究结果看，身体无意识的晃动与下肢肌肉肌电之间存在共变趋势，但两者之间是否存在因果关系，哪个是因，哪个是果，都值得未来研究进一步的深入探讨。

能耗经济性涉及环境因素、生理学因素、运动生物力学因素和遗传因素等，是一个综合性复杂系统，目前还主要集中在体能类、周期性项目的探讨，对于静力性、姿态维持中的能耗探究较少，特别是对其影响因素的探讨还处于起步阶段。

3.3 站立能量消耗水平的分析

研究1 中测量结果显示42 人中30 人均为能量节约型，占比为71.4%，如此大的比例与部分站立的能耗研究结果有悖。Saeidifard等[26]对46个站立能耗方面的研究进行系统综述，研究结果表明静坐和站立的平均能耗差值为0.15 kcal/min，其中观察性研究的差值为0.11 kcal，均高于本研究1 中的0.08 kcal。分析其中的原因，主要是由于考察目的不同，本研究的实验设计主要是为测量稳定站立状态下的能耗，而该综述中的部分研究并没有区分稳定站立和站-坐转换，没有剥离出动作转化所产生的额外能耗[27，28]，所以该系统综述的能耗数值较本研究高。本研究1 中，静坐时能量消耗为1.11 kcal/min，站立时为1.19 kcal/min，增幅仅7.2%，没有一个受试者稳定站立时能量消耗增加超过25%。而在研究2中，相对于第一阶段静坐，站立、双脚踱步、单脚移位和双脚移步的能量消耗分别增加了6.7%、36.2%、42.0%和51.3%，METs 分别为1.23、1.45、1.59 和1.67，在1.5 METs 的静休活动与小强度体力活动的分界点附近。按照李国强等[29]的研究结果：中国城区成年人每天静坐时间为9.27 小时，即使把这些时间全用站立来替换，在其它能量因素恒定的情况下，额外多消耗1 kg 脂肪（7700 kcal 热量），需要173 天的时间。也就是说173 天里把静坐都换为站立，只减1 kg脂肪。即使按照Saeidifard 系统综述的能耗差值结果（0.15 kcal/min）来计算，也需要92 天才减1 kg 体重。因此，从能量消耗的角度来看，站立并不是一种高效的久坐少动的干预策略。但是值得注意的是，本研究的结果显示随着站立时间的增加，呼吸商在缓慢走低，这表明底物氧化中脂质氧化的比例在增加，碳水化合物的利用在降低。虽然说站立阶段能耗的增加很有限，但是能量消耗中这种底物利用的变化却值得重视，也许在控脂、减重方面具有积极的效应。

此外，本研究2 中三种腿部移步形式之间心率差值很小，心率并没有与能量消耗同向变化，这表明在静息类活动中，利用心率来反映运动能耗会有较大的误差，心率类的运动能耗监测仪可能不适用于静息行为的能耗监测。

3.4 本研究的局限

尽管本研究的发现有助于更好地了解稳定站立时的能量消耗情况，但是在研究设计、样本含量等方面还是存在不足之处，具体如下：（1）研究1中，站立能耗分型影响因素的探讨中，考虑到坐姿时座椅的影响，并未进行臀大肌和竖脊肌的测量，只对维持肢体站立姿态中的下肢重要的肌肉进行测量；（2）已有研究明确证实坐-站转换能够增加能量消耗，但并没有去探究这种效应的持续时间，尽管本研究要求在坐姿完成后立刻站起，经过接近2分钟的间歇期后才进入站立测量程序，并且从研究1中前5分钟内生理指标的变化上看，基本均属于稳定状态，但仍然不能完全排除站-坐转换的影响；（3）本研究只对18～29 岁健康的青年人进行了探究，能耗分型现象是否同样存在于其它年龄段群体中还需进一步的研究。