IDEEA估算日常行為能耗：以能量代謝艙進行驗證

鹿 琦

（江蘇省體育科學研究所，江蘇 南京 210033）

體力活動不足與久坐行為在肥胖、心血管疾病及代謝性疾病的發展中發揮重要的作用［1-2］。要確定獲得具體健康效益所需的體力活動量，就必須采用準確且可靠的方法來衡量人體日常生活中的能耗。然而，由于人類生活方式的復雜性和多樣化，很難準確地記錄每天生活、運動的相應能耗。對人體能耗的測量一直是方法學上的挑戰。

在正常生活條件下，用來測量能耗的方法包括雙標水法、心率法、計步器、加速度計、飲食記錄和活動問卷。然而，上述測量技術有明顯的局限性，對人體體力活動和能耗的測量有很大誤差。雙標水法被普遍使用，它是通過測定CO2的輸出來測定能耗。但是昂貴以及至少測定3天才能算出每天的能耗平均值，且無法測定運動的類型、持續時間及強度等信息。心率法、加速度計和計步器在估計個人體力活動的能耗時，給出的結果很差，也不一致。飲食記錄和活動調查表在可信度方面依賴于受試者的自覺性，可信度不高［2-8］。Metabolic Chamber（能量代謝艙）由于其客觀的定標系統及測量的準確度，在國際上被認為是測量能耗的“金標準”［9］。

IDEEA（智能能耗測量設備）的出現也許可以提高日常人體體力活動能耗測量的準確性。IDEEA的主要功能包括如下幾個方面：1）以秒為單位記錄身體活動在24h內的改變；2）識別日常生活中所有主要的體力活動和姿勢類型；3）提供準確的運動起始時間、持續時間及開展活動的頻率，并對這些活動的類別和分布情況進行詳細分析；4）計錄運動量與強度（例如，走路或者跑步的速度）。從概念上講，IDEEA的使用似乎是一個理想的解決辦法。KUAN ZHANG等人利用IDEEA對歐美人種的能耗測定結果也進一步說明此設備在識別運動類型、持續時間及能耗測量等方面的準確性。IDEEA的另一優勢在于還可以準確地預測步速（走路和跑步），預測值和實測值之間的相關性為 0.986（p<0.0001）［10-12］。

本研究的目的在于，通過能量代謝艙來驗證IDEEA在測定國人日常生活及體力活動方面能耗數據誤差度的大小。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

選取受試者男女各60人，年齡40～60歲。受試者均未患有高血壓、冠心病、糖尿病、甲亢、甲減等疾病，簽訂《知情同意書》后參加相關測試。受試者于測試當天下午5點來到江蘇省體育科學研究所能量代謝實驗室，先進行基本信息調查，然后進行身高測定，使用國產身高計測定；體成分使用美國通用公司Lunar Prodigy型雙能X射線體成分掃描儀進行掃描，記錄體重、脂肪百分比、體脂重量、去脂體重、肌肉重量等信息（DEXA； Lunar Prodigy， GEMedical Systems， Madison， WI）。受試者基本信息在表1中列出。

表1 受試者人體測量指標（平均值±標準差）

1.2 研究方法

代謝艙恒定條件控制 本研究使用MC（Metabolic Chamber）進行測試。它是一個2.7×3.0×2.4m3的開路的房間，配備有床、桌椅、電話、跑臺、抽水馬桶及無線網絡。艙內的溫度和相對濕度分別控制在21°C～22°C and 30%～40%。 利用氧氣及二氧化碳分析儀（Magnos 4G，Hartman&Braun）測定進艙和出艙的空氣中的氧氣及二氧化碳的濃度。整個艙內的氣體流速使用膜泵及高精度流量計進行控制。測試期間每進行5人測試，整個MC需要進行1次定標。定標時間與測試時間一致［13］。

受試者活動控制 每次測試進行前受試者按下記錄按鈕方可開始。在進行基礎代謝能量消耗測試時，若受試者提前醒來，囑咐其臥床、閉眼休息，以保證所有受試對象都處于完全空腹、安靜、清醒且舒適的狀態。測試過程中受試者不能活動四肢、說話和搖頭，以排除肌肉活動對基礎代謝的影響。睡眠期間，受試者有較大動作能耗時IDEEA-Ⅲ可以甄別并記錄下來，在后期數據處理中予以剔除。

整個測試所需要時間為14h，包括3h的準備期以及11hMC中測試時間。準備期間受試者需要進行人體測量檢查、吃晚飯、沐浴更衣。在此之后受試者在專業人員的協助下佩戴IDEEA并定標。此儀器由1個主機和7個肢體微型傳感器組成。使用低敏膠帶將大腿、雙踝、雙足和胸骨上的三維加速度傳感器粘貼在相應的皮膚上，每個傳感器貼于適當的皮膚表面和符合人體縱軸部分；采集步態數據，輸出信號無線傳輸至腰部的主機。受試者配帶方便，對行走無任何干擾，最長可記錄達7天的數據，耗電量也僅是一節5號堿性電池，見圖1。受試者佩戴完成后，在30m的平路上自由來回行走120m。受試者進入到MC中并且遵循設定好的計劃進行活動（見表 2）。

圖1 左側圖為儀器組成，右側圖為參與者佩戴方法，傳感器的佩戴位置為：胸骨角下方，雙側大腿前側中央、雙側踝關節側方、雙側足底第4和5跖骨之間。儀器啟動后受試者可自由行走，數據自動記錄到腰部的主機。

表2 受試者測試安排

1.3 數據處理及分析

IDEEA測試結果由專門分析軟件GaitView 3.8（MiniSun公司，美國）進行計算。受試者在MC中的能耗以每分鐘的耗氧量和二氧化碳產生量進行計算，測試結果以WinRoom軟件（MiniSun公司，美國）進行處理計算。

應用SPSS 18.0和Excel 2010對數據進行統計學分析，所有數據以均值±標準差表示。受試者的基本數據進行獨立樣本T檢驗。能耗數據（包括平躺能耗、運動能耗、上網能耗、睡眠能耗）進行配對樣本T檢驗。p<0.05表示差異具有統計學意義。絕對誤差的計算為：絕對誤差=［|（EEIDEEA-EEMC）|/EEMC］×100%。

2 研究結果

2.1 男性M C與ID EEA所測得的不同狀態下的能耗

結果顯示MC與IDEEA所測得的能耗結果存在顯著性差異。能耗測量結果的絕對誤差為2.82%～4.47%，其中平躺能耗的測量誤差最小為2.82±1.73%，運動能耗的測量誤差最大為4.47±4.82%（見表 3）。

表3 男性能量代謝艙與IDEEA測定的不同活動狀態下的能量消耗以及總能耗

2.2 女性M C與ID EEA所測得的不同狀態下的能耗

結果顯示女性MC與IDEEA所測得的能耗結果存在顯著性差異。能耗測量結果的絕對誤差為1.75%～3.88%，其中睡眠能耗的測量誤差最小為1.75±2.12%，平躺能耗的測量誤差最大為 3.88±1.33%（見表 4）。

表4 女性能量代謝艙與IDEEA測定的不同活動狀態下的能量消耗以及總能耗

3 討論

本研究目的是以能量代謝艙作為“金標準”來探討IDEEA在我國居民能耗測定中的可信性。KUAN ZHANG等學者報道了IDEEA對于某些特定的歐美人群能耗誤差高達10%［10］。在本研究中雖然IDEEA與MC在能耗數據方面存在顯著性差異，但絕對誤差在5%左右。

首先，本研究中的運動測試是在跑臺上完成的。Pugh的研究指出，在中速運動中能耗的7.5%用于對抗風阻，在沖刺中則高達13%。熟練使用跑臺的受試者在跑臺上運動會比在路面跑步消耗更少的能量。而那些不熟練的受試者，在跑臺上運動是會因為動作等原因攝氧量和能耗都會比在地面運動要高［14］。而在本研究中IDEEA存在低估運動能耗的情況（絕對誤差為6.28%±4.33%）。這可以通過增加跑臺的傾斜角度來模擬風阻去解決。其次，高估能耗可能與受試者較高的體能水平有關。再次，IDEEA無法識別體力活動中的上肢運動。因此導致了低估能耗的出現。同時體脂率對運動能耗的影響也應該加以關注［15］。

同時在能耗的測定中還有一些情況值得我們思考。與正常的坐和站立能耗不同，坐立不安情況下的能耗并未被詳細研究。這就可能導致IDEEA能耗測量的誤差。有學者研究證實，坐姿時的抖動肢體相比坐著不動能量消耗高1.4倍，而在站立情況下則為1.69倍［16］。而另外一種誤差的原因可能是因為學界對于睡眠能耗的認識不一致。睡眠能耗并不總是持續不變的而是呈現逐漸下降的過程。

而睡眠能耗的下降率與BMI有關。睡眠最初階段的能耗要比平均睡眠能耗高12%，而睡眠末期的能耗比平均睡眠能耗低12%，這些都取決于睡眠能耗下降的斜率［17］。因此把睡眠能耗簡單的認為是一成不變的這就導致了IDEEA能耗測量誤差的出現。而女性睡眠時的體位同樣對睡眠質量與睡眠期間的能耗產生影響［18］。本研究在測量了成年人夜間能耗的基礎上得出的結論是與MC相比IDEEA存在能耗的低估，但測量誤差在可以接受的范圍內，并可以通過相應的回歸方程來校正以減少誤差［19］。

另有研究則具體測定了健康受試者在實驗室環境之外的深度屈膝頻率。通過使用修改過的IDEEA系統對受試者在實驗環境里系統跟蹤數據收集的準確性。把實驗限制在3種活動上，結果表明IDEEA系統，當與足底壓力進行精標準比較后，能準確地報告膝蓋彎曲角度。在測試期間測試它能準確地報告步態，但它是在記錄下樓和舉步落步時準確率相對較低。但是IDEEA準確地辨認受試者的走、跑、站立、坐、上樓、下樓這5種行為活動。與實驗室步態足底壓力系統相比較，IDEEA系統能準確地報告的健康受試者的膝蓋活動范圍。IDEEA系統也能準確地探測出在舞蹈動作中的走、跑、站立、坐、躺等活動方式。同時本研究的結果結合國際上較早的報告，有力支持IDEEA系統能在臨床使用的結論。未來我們可以將IDEEA系統應用于評估膝關節整形病人的膝蓋運動以及日常運動的頻率和持續時間。

對夜間睡眠姿勢的評估值得關注，據調查肥胖患者花費更多時間坐著或斜倚而不是平躺。之前關于IDEEA裝置檢測位置可靠性的研究表明，由于受試者之間的解剖學差異，斜躺姿勢是最容易出錯的動作之一［20-21］。事實上，軀干傳感器的對齊對于區分坐、斜躺和躺著至關重要。即使這可能是肥胖人群的情況，其中軀干的解剖結構可能導致嚴重測量誤差，這可能與坐位和斜躺位置之間體位區別相關。事實上，大多數肥胖受試者有更多枕頭睡眠的習慣，因為在該位置可實現更好的呼吸動力學［22］。有證據表明，抬高的位置有利于膈肌工作并限制下咽部的脂肪壓力，從而減少睡眠期間呼吸暫停的頻率并允許肋骨擴張［23］。

另有研究報道了關于IDEEA在穿戴方面的問題。盡管偶有受試者因為腳踝的有線傳感器被收緊而感到不適，但研究中包括的任何受試者都沒有報告在監測期間傳感器脫落或設備出現任何問題。主要限制受試者不可以穿戴其洗澡或淋浴。這是至關重要的，特別是當活動必須在超過24h的時間內進行監控時。在本研究開始時，我們的目的是評估人的日常行為能耗。因此受試者是淋浴后才進行佩戴IDEEA。然而對于在3個月的體重減輕計劃后監測受試者時，雖然一些受試者的運動行為發生了變化，但大多數受試者在24h內記錄的數據沒有變化。可以合理地假設，特別是對于因職業原因而工作并且大部分時間都處于坐姿的人來說，24h不足以觀察到他們生活方式的改變導致的能耗變化［24］。本研究結果的一般性受到樣本量小的限制。主要是受試者偏瘦或略微超重，并且體重范圍可能太窄而不能得出體重不會影響IDEEA的準確性的結論。同時MC和IDEEA的內部算法不同，也會導致測量結果的誤差。IDEEA的若干電極在身體的不同位置也會造成定標的差異［19，25］。本研究中所使用的IDEEA無法測算雙臂的運動，因此在能耗測量方面就會有所低估。

IDEEA所提供的高準確度的能耗測定是基于其對每種運動方式、起止、時長及強度的準確探知，因此我們有理由相信這是測定人體日常生活能耗的一種較為理想的方式。盡管本研究結果顯示IDEEA與MC之間存在顯著性差異，但是在誤差方面在5%以內。本研究只是選取成年人進行測試，因此在準確度上對未成年人的適用性并不知曉，且未能選取肥胖人群做進一步測試。同時采用的研究時段并非一整天，未來將安排24h的人體行為能耗測試。