登樓梯能耗相關指標的觀察與分析

□ 李鑫 謝敏 孫飆（南京體育學院 江蘇 南京 210014）

1、前言

隨著城市人口密度不斷加大，城市里高層建筑不斷增多，爬樓梯成了人們日常生活中最常見的一種健身方式。經(jīng)過市場調研發(fā)現(xiàn)，目前樓道的資源沒有充分被利用，因此利用樓道健身具有廣大的市場前景。本研究選取具有代表性的城市高層建筑樓梯為測試場地，采用心肺功能測試系統(tǒng)測試不同人群爬樓梯的能量消耗。通過對比不同性別人群爬樓梯過程中的能量消耗，尋找人體爬樓梯的能量消耗特點，選取大眾易測量的指標，推導出不同性別人群爬樓梯能耗的方程，更便捷地為指導人們通過爬樓梯實現(xiàn)目標活動量提供參考依據(jù)。

2、研究方法

2.1、研究對象

選取年齡在18-50歲之間的健康人群作為測試對象。測試對象選取高校非體育專業(yè)學生、社會大眾共60人，其中男性30人，女性30人。研究對象的身高范圍：男性168-183cm，女性153-170cm。體重范圍：男性60-80kg，女性46-70kg。受試者均知情同意，志愿參與本實驗。

2.2、場地、環(huán)境選擇

本研究測試場地選用19層高樓的樓梯間，每層24級臺階，每級臺階高度15cm。每個樓層建有一個平臺（約3.2m）。

2.3、實驗方法

（1）形態(tài)測量。

采用標準方法測試身高、體重、下肢長，計算BMI指數(shù)（體重/身高2）。

（2）爬樓梯測試。

經(jīng)過實際觀察和相關文獻研究，90步/min的爬樓梯頻率更能代表日常生活中的典型負荷，故本次實驗選用90步/min的步速作為正式實驗爬樓梯的步速。受試者爬樓梯時要求步法輕快平穩(wěn)，節(jié)奏連續(xù)，不允許連上兩級，不允許跑步或者停止。通過節(jié)拍器調節(jié)控制受試者的爬樓梯頻率。測試開始前受試者佩戴好心肺功能測試儀器后先在樓下安靜5min，然后以90步/min的步速爬樓3min。

（3）肌力測試。

用Biodex等速儀，以240角速度做20次膝關節(jié)的等速屈伸運動，得到平均力矩峰值，以測得肌耐力。

2.4、測量儀器與指標

通過K5b2便攜式心肺功能儀測試受試者的能耗、心率、耗氧量等指標，其中下文中出現(xiàn)的登樓梯時最高心率為登樓梯后期心率較穩(wěn)定的平均值，用Biodex等速儀測試受試者的左右腿膝關節(jié)屈伸力矩峰值。

2.5、統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)采用JMP統(tǒng)計軟件，采用均數(shù)±標準差(X±SD)對一般數(shù)據(jù)進行描述，采用單因素方差分析，采用擬合分析比較不同性別間各指標差異，統(tǒng)計學相關性水平為擬合優(yōu)度 （R方，R方在0.01-0.09為弱相關，R方在 0.09-0.36為中度相關，R方大于0.49為高度相關），采用多元線性回歸建立爬樓梯能耗的預測方程。

3、結果

3.1、研究對象基本情況

表1 研究對象基本情況

60人全部完成測試。由于女生個別情況特殊，為避免實驗產生巨大誤差棄用少量女生數(shù)據(jù)，總樣本量為54人（男性30人，女性24人）。男、女身體形態(tài)指標見表1，男、女間各指標差異均有統(tǒng)計學意義，男生身高、體重、下肢長均高于女生。

3.2、不同性別相關參數(shù)與能耗的分析

經(jīng)單因素方差分析，不同性別人群以勻速（90步/min）登樓梯相關參數(shù)與能耗的關系如表2所示。根據(jù)測試結果顯示，男性年齡、BMI、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與能耗有相關性，其中男性的年齡、登樓梯時最高心率和臺階數(shù)與能耗高度相關（R方＞0.49），BMI與能耗中度相關（R方0.09-0.36）；女性年齡、小腿長、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)、左右腿肌力與能耗有相關性，其中年齡、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)、左腿屈肌力與能耗高度相關 （R方＞0.49），小腿長、右腿屈伸肌力、左腿伸肌力與能耗中度相關（R方0.09-0.36）。

表2 男性相關參數(shù)與能耗

表3 女性相關參數(shù)與能耗

3.3、不同年齡相關參數(shù)與能耗的分析

對不同年齡人群相關參數(shù)與能耗的分析如表3所示。年齡在39歲以下的男性的身高、BMI、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與能耗有相關性，其中登樓梯時最高心率與能耗弱相關，身高、BMI與能耗中度相關，臺階數(shù)與能耗高度相關（R方＞0.49）；年齡在39歲以下的女性的小腿長、臺階數(shù)與能耗有相關性，均為弱相關 （R方0.01-0.09）；年齡在39歲以上的男性的BMI、登樓梯時最高心率與能耗有相關性，均為弱相關（R方0.01-0.09）；年齡在39歲以上的女性的臺階數(shù)與能耗有弱相關（R方0.01-0.09）。

表4 不同年齡相關參數(shù)與能耗

4、分析與討論

4.1、身體形態(tài)與能量消耗

受試者的年齡、性別、體重、身高等身體形態(tài)指標是影響能耗大小的主要因素。本研究結果表明，60名受試者在90步/min登樓梯頻率上具有統(tǒng)計學意義。登樓梯能耗表現(xiàn)為男性大于女性、青年人大于中年人的特點。完成相同負荷的登樓梯運動時,性別和不同年齡之間能耗存在明顯差異,可能與人群間的下肢肌肉力量、動作幅度差異有關。同女性和中年人相比，青年男性下肢肌肉力量大，動作幅度大,相對運動強度要高于中年人和婦女,所以能耗要高于中年人和婦女。

4.2、不同性別登樓梯的能量消耗

如表2所示，男性年齡、BMI、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與能耗有相關性，其中男性的年齡、登樓梯時最高心率和臺階數(shù)與能耗高度相關，BMI與能耗中度相關；女性年齡、小腿長、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與能耗有相關性，其中年齡、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與能耗高度相關，小腿長與能耗中度相關。影響男、女性登樓梯能量消耗的因素有所差別，具體差異為男性主要與BMI有較顯著的相關性而與小腿長、腿肌力無明顯相關性，女性主要與小腿長、腿肌力有較顯著的相關性而與BMI無明顯相關性。我們分析存在這種差異的主要原因可能有男性與女性的肌肉含量、激素水平以及代謝狀態(tài)均有所差別，這些指標為生理指標在實驗中無法控制；由于男女身高差異較大，因此男女重心也有所差異，這可能也是造成其他參數(shù)與能耗相關性差異的原因；此外，男性腿肌力差異不大，但女性由于個體原因腿肌力差異較大，也會造成該參數(shù)與能耗相關性的差異。

4.3、推算登樓梯能量消耗的公式

本研究運用多元線性回歸的方法，根據(jù)相關參數(shù)推導出計算登樓梯能量消耗的方程式。由于登樓能耗不僅與臺階數(shù)有關，還與年齡、BMI、登樓梯時最高心率等因素有關，應綜合以上因素一同分析。本研究將經(jīng)過推算得到的年齡、臺階數(shù)、BMI、登樓梯時最高心率、以及小腿長設定為自變量，將能量消耗設定為應變量。

本研究顯示男性的年齡、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與登樓梯能量消耗相關系數(shù)約為0.7832，范圍是0.7797-0.7865不等，達到高度相關，男性的BMI與登樓梯能量消耗相關系數(shù)約為0.4790，達到中度相關。通過JMP軟件逐步回歸分析，發(fā)現(xiàn)身高、體重、下肢長等與登樓梯能耗并無顯著性關系，剔除這些參數(shù)后，登樓梯能耗只與年齡、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)、BMI有關。建立預測方程如下：

男：登樓能量消耗（kcal）=0.011×年齡+0.134×登樓梯時最高心率+0.203×臺階數(shù)-0.281×BMI-34.78

同樣分析女性的相關數(shù)據(jù)得，女性的年齡、登樓梯時最高心率、臺階數(shù)與登樓梯能量消耗相關系數(shù)約為0.7479，范圍是0.6319-0.8998不等，達到高度相關，女性的小腿長與登樓梯能量消耗相關系數(shù)約為0.3188，達到中度相關。通過JMP軟件逐步回歸分析，發(fā)現(xiàn)身高、體重等與登樓梯能耗并無顯著性關系，剔除這些參數(shù)后，登樓梯能耗只與年齡登樓梯時最高心率、臺階數(shù)、小腿長有關。建立預測方程如下：

女：登樓能量消耗（kcal）=0.016×年齡+0.268×登樓梯時最高心率+0.117×臺階數(shù)-0.119×小腿長-35.8。

經(jīng)檢驗，該方程有統(tǒng)計學意義（P＜0.01），各偏回歸系數(shù)和截距同樣有統(tǒng)計學意義（P＜0.01），說明年齡、臺階數(shù)、小腿長、登樓梯時最高心率四個自變量均有意義，且該方程較好的解釋了登樓過程中的能量消耗，具有較大的推廣和應用價值

5、小結

登樓梯臺階的高度、受試者的年齡、性別、身高生物性因素等都是影響登樓梯能耗測量結果的主要因素。本研究與不同速度登山的能耗分析與研究——以南京市紫金山為例研究相比較均發(fā)現(xiàn)慢速、中速登樓梯或登山與總的能量消耗無明顯相關性，這也是本研究不采用時間與頻率等相關參數(shù)的原因。在實施測試工作時，根據(jù)不同的研究目的，控制好這些影響因素，以求測試過程的規(guī)范化和標準化，測試結果的準確性和可比性。受試人群的選取上要保證性別、年齡段之間的均衡，以求樣本的代表性良好。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，男性登樓梯的能耗主要與BMI有較顯著的相關性而與小腿長無明顯相關性，而女性登樓梯的能耗主要與小腿長有較顯著的相關性而與BMI無明顯相關性。本研究根據(jù)登樓梯能耗的相關參數(shù)特征建立了能耗預測方程，能較準確反映日常爬不同樓層的能量消耗值，以方便人們根據(jù)自身情況查詢實際消耗能量。

6、結論

（1）在登樓梯過程中，性別不同能量消耗也不同，總體來說，男性比女性多消耗3kcal左右；

（2）影響男、女性登樓梯能量消耗的因素不同，男性主要與BMI有較顯著的相關性而與小腿長、腿肌力無明顯相關性，女性主要與小腿長、腿肌力有較顯著的相關性而與BMI無明顯相關性；

（3）不同性別分別建立多項式回歸登山能耗預測方程如下：

男：登樓能量消耗（kcal）=0.011×年齡+0.134×登樓梯時最高心率+0.203×臺階數(shù)-0.281×BMI-34.78；

女：登樓能量消耗（kcal）=0.016×年齡+0.268×登樓梯時最高心率+0.117×臺階數(shù)-0.119×小腿長-35.8。