邱 俊，赵德峰，王金昊

水槽中3种间接代谢测试方法对自由泳能量消耗测试的准确性研究

邱 俊，赵德峰，王金昊

目的：通过气体代谢测试法、心率(HR)和3轴加速度计等3种能量代谢测试方法的对比，探讨在自由泳运动过程中用Actigraph 评价游泳训练中能量消耗的可行性和推算出自由泳中Actigraph的能量消耗的推导方程。方法：游泳水槽中用气体代谢法对比HR和踝、腰、腕等不同部位佩戴的3轴加速度计等3种间接能量代谢测试方法测试运动员模拟200 m自由泳途中游，确定身体踝、腰、腕3个部位中加速度数值和气体代谢测试法相关度最高的部位。在50 m泳池中测试10名运动员HR和腕关节3轴加速度计数值并和水槽中测试所得数据进行比较,以确定泳池和水槽中能量代谢测试结果的差异性大小。结果：水槽中腕关节加速度数值为踝、腰、腕部位中与气体代谢能耗值相关度最高者，加速度VM值与气体代谢能耗值呈中度相关；女运动员平均气体代谢法能量消耗值与HR法能量消耗值均显著低于男性，但累计全程能量消耗没有性别差异；以腕VM为自变量，结合体重、速度平方建立了加速度计法能量消耗非标准化回归方程方程：EE(Kcal)=4.488+2.197×速度平方+0.171×BW-0.00011×腕VM;水槽中腕VM加速度计数要显著高于泳池中所测数值。结论：1)水槽中HR、腕、踝关节加速度综合计数均与气体代谢能耗水平具有显著的相关关系。2)加速度计算自由泳能量消耗的最佳方法是腕关节部位加速度综合计数。3)泳池中测试运动员能量消耗应该更加具有真实性。

水槽；能量消耗；加速度计

前言

从文献检索的结果看，国际上关于游泳项目的能量消耗研究较少，大多数评价游泳运动过程中能量消耗都是采用间接气体代谢测试法，虽然通过气体代谢法来计算运动中机体能量消耗为间接评价能量消耗测试中较为准确的方法，但是，由于测试条件的限制，无法便捷性地应用于不同强度游泳运动中的能量消耗评定；用HR评价运动员的能量消耗容易受到情绪、环境等因素的影响，且游泳中紧贴胸部皮肤的HR传感器易让人在游泳过程中产生不适感；3轴加速度计应用是目前国内外关于人体运动量及能耗研究中的热点，探索其定量分析人体运动的信度与效度是目前研究中比较关注的，如能将3轴加速度计应用到不同强度的游泳运动中评价运动员的能量消耗，可为科学的能量补充提供更加准确性的依据。

1 研究目的

游泳水槽中模拟200 m自由泳，以气体代谢测试推算得到的能量消耗为标准，分析HR、HR结合体重、性别推算的能量消耗和加速度测试方法与之相关性，有相关性的条件下推导水槽中自由泳能量消耗的加速度计数预测方程；并在游泳池中进行200 m自由泳HR和加速度的对比测试，寻找运动员在游泳训练中测试能量消耗简便可靠的方法，可相对科学地评价运动员游泳训练时的能量消耗。

2 对象与方法

2.1 受试对象

游泳和现代5项运动员共21名(现代5项10名，游泳11名)为实验对象，其中男性12名，女性9名。年龄为15～25岁，男性平均身高180.38±5.07 cm,女性平均身高172.23±4.33 cm，男性平均体重为67±4.25 kg,女性平均体重为54±5.32 kg。

2.2 实验方法

2.2.1 水槽中能量代谢测试

第1周的周2运动员在9：00 am.到达游泳水槽，先在游泳池中准备活动30 min后动态拉伸15 min，保证血乳酸(Bla)在4 mmol/L以下、HR 100 b/min以下开始正式测试。在水槽中参照200 m自由泳比赛的个人最佳游泳成绩的80%设定水流速度，水流速度女运动员在1.31～1.34 m/s之间，男运动员1.40～1.5 m/s之间，要求每人持续时间为1 min30 s，气体代谢指标采用COSMED K4b2心肺功能测试仪(意大利)以breath by breath法进行测试，测试前仪器分别进行了环境空气、流量和参考气体校准。同时,佩戴Polar HR带用Hosand水下HR接收器同步接收HR信号，并在右腕关节背侧、腰、右外踝上缘部位各佩戴一个Actigraph 3轴加速度仪而同步测定运动员的能量消耗情况。气体代谢、HR和加速度数据的过滤时间均设为4 s。

2.2.2 泳池中HR和加速度计数的测试

第2周的周2本研究中现代5项运动员10名 在50 m游泳池进行200 m自由泳训练，运动员9：00 am.到达游泳池，在动态拉伸15 min后，在泳池中准备活动500 m后保证HR在100 b/min以下后，开始进行200 m自由泳训练，要求保持80%最大强度。在右腕关节背侧佩戴一个Actigraph3轴加速度仪而同步测定运动员的加速度计数情况，在左腕部佩戴一块PolarHR表接收带在胸部的HR带发出的HR。

2.3 数据处理

(1)

加速度计数记录了3个方向：冠状轴(x轴，前后方向)、矢状轴(y轴，左右方向)和垂直轴(z轴，上下方向)的加速度，并将3个轴的加速度记数通过公式(2)。

VM=(ACx2+ACy2+ACz2)1/2

(2)

HR法能量消耗(EE(HR))采用Keytel等[6]建立的以HR为自变量的能量消耗方程(3)，其中性别系数：男为1，女为0。

EE(HR)(KJ/min) =性别系数×(-55.0969+0.6309×HR+0.1988×BW+0.2017×年龄)+(1-性别系数) ×(-20.4022+0.4472×HR-0.1263×BW+0.074×年龄)

(3)

单位值最终换算为 kcal/min。

2.4 数据统计

所有统计采用SPSS 17.0软件完成。采用Pearson积差相关分析法计算HR、腕、腰、踝各部位加速度综合计数和气体代谢能耗值之间的相关性。采用独立样本t检验比较不同部位加速度计综合计数组间差异，用逐步回归法建立自由泳运动时加速度计数能耗预测方程，考虑到阻力与水流速度的平方成正比，加入“速度平方”变量作为自变量，P<0.05认为方程有效。

3 研究结果

3.1 水槽中气体代谢法能量消耗与HR和不同部位加速度计数的关系

水槽IC法所得能量消耗值与运动员3部位(腰、腕、踝)的VM加速度计数值、HR以及HR法(EEHR)所推算的能量消耗值之间的相关系数如表1所示。结果显示，除腰部加速度以外，其余4项观察值与IC法能量消耗值之间的相关系数均有显著性(P<0.01)。相对而言，IC法与HR推算法的相关性最高，水槽中腕关节加速度数值为踝、腰、腕部位中与气体代谢能耗值相关度最高者，加速度VM值与气体代谢能耗值呈中度相关；气体代谢能耗值与HR呈低度相关性，与HR法能量消耗高度相关。

表 1 本研究水槽中IC法与不同部位加速度计数、HR和HR法能量消耗的相关系数一览表Table 1 Correlation Coefficient among IC Method,Acceleration Counts from Different Parts,HeartRate and Heart Rate Method in Swimming Flum

表2显示，针对每分钟能量消耗的测算，IC法与HR法之间差异显著，这一现象在不同性别运动员上表现一致。水槽中男女运动员平均每minIC法所测能量消耗值要显著性地高于HR法所测能量消耗值，其中女运动员用HR法比IC法所测能量消耗值平均低2.5 Kcal；对于累计全程能量消耗的测算，女运动员的IC法测算显著高于HR法，而男运动员的两种测试推算法之间差异不显著。性别间的差异检验显示，女运动员平均气体代谢法能量消耗值和HR法能量消耗值均显著低于男性，但累计全程能量消耗没有性别差异。

3.2 加速度计数方法预测能量消耗

本研究以气体代谢法所测能量消耗为因变量，以踝、腰和腕关节VM的加速度计、BW、速度、速度平方和身高等测量值为自变量，采用逐步回归法进行多元线性回归分析。分析结果显示,腕部VM加速度、速度平方、BW等3个变量被保留，非标准化系数以及回归方程如表3所示,其中,r2=0.492，说明这3个变量能够决定IC法能量消耗测试值的49%的变异，具有中度的预测效率。根据该回归方程所得理论预测值与实际IC法所得值之间的散点图与趋势线如图1所示。

表 2 本研究水槽中模拟200 m自由泳气体代谢法(IC)与心率法(EEHR)能量消耗值比较一览表Table 2 Comparison of Energy Expenditure Valuesbetween IC Method and Heart Rate Method duringSimulated 200 m Freestyle Swimming

表 3 本研究水槽中自由泳加速度腕VM能量消耗推导方程一览表Table 3 Derivated Equation of VM Values fromWrist for Freestyle Swimming in Swimming Flum

图 1 本研究能量消耗IC法实测值和腕VM加速度计数预测值关系散点图

3.3 水槽和泳池中HR和腕VM加速度计数比较

表4显示，在水槽流速和游泳泳速相近的情况下，水槽中腕VM加速度计数与泳池中所测得的数值之间差异具有显著性，水槽条件高于泳池条件。而在HR方面，水槽条件和泳池条件无显著差异性。

4 讨论

水槽作为一个科研设备提供了稳定可调的水流速度，运动员可以在水槽里进行相对静止的运动，这就为在运动过程中实施心肺功能等测试提供了与实际运动最为相似的测试环境。本研究选取了游泳水槽测试平台通过气体代谢分析系统测定出的耗氧量，推算运动员在不同速度下完成同一距离所消耗的能量作为标准，同步测试运动过程中的HR和加速度计数。根据Wilson对14名青少年游泳运动员分别在水槽和游泳池内完成同一距离和游速的游泳技术参数进行的比较，运动员在泳池和水槽，同一游速下的划手频率在中低游速时没有显著差别，但在该测试的最高游速下(1.6 m/ s)出现了小的，但呈显著性的差别[3]。因此，提示本研究在游泳水槽中水流速度在1.31～1.50 m/s范围内运动员测试模拟200 m自由泳应和泳池中的测试环境无显著差异。

表 4 本研究水槽和泳池中HR和腕VM的加速度计数比较一览表Table 4 Comparison of Accelerate Countsbetween Swimming Flum and Swimming Pool

200 m游泳比赛的强度往往被认为是接近或超过最大有氧能力，需要依靠磷酸原、糖酵解和有氧代谢供能3大系统。Pedro测试了10个游泳国际级运动员认为，200 m蛙泳的能量消耗为1.60 KJ/m,而磷酸原、糖酵解和有氧供能分别占到20.4%、13.6%、65.9%,研究测试在第4个50m时，划频和第1个50 m相比明显效率下降，因此也从理论上认为划频效率下降是由于能量消耗的增加而造成的[7]。本研究中，腕、踝VM计数值都与气体代谢测试推算的能量消耗值成负相关，也证实了随着能量消耗的增加，加速度计数值的下降与划频效率减慢相关。

HR法推算能量消耗虽然具备同步、便捷的特点，但有研究表明，HR和能耗仅在一定范围(110～150b/min)内存在良好的线性关系，超出此范围时，HR与能耗的相关性下降，HR还有较大的个体差异性，限制了HR在预测体力活动能耗中的准确性[4]，且游泳运动时佩戴不便。本研究中水槽测试过程中的平均HR达到170 次/min，因而HR和气体代谢测试推算的能量消耗值呈低度相关性。HR法推算的能量消耗值虽然达到较高的相关度(r=0.778)，说明结合性别、BW、年龄等参数的能量消耗方程从统计学角度同样也适用于水槽中模拟200m游泳的能量消耗。Zamparo等[9]检测9名自由泳运动员的50 m、100 m、200 m、400 m最大强度游的能量消耗，推导出能量消耗与游泳速度有关：男运动员能耗(kJ/m)=0.603×10 0.228 v(v为速度，m/s)，女运动员能耗(kJ/m)= 0.360×10 0.339 v(v速度，m/s)。本研究实测水槽中男女运动员平均每分气体代谢法能量消耗值要显著性地高于HR法所测能量消耗值，提示用HR法预测不同强度游泳能量消耗时可能也需要增加速度等参数。

有研究比较4种不同泳姿之间200 m递增游泳的能量消耗认为[2]游速为1.0～1.2 m/s时，蛙泳总能量消耗显著高于仰泳、自由泳的总能量消耗，1.4 m/s时蛙泳能量消耗最高，自由泳能量消耗显著低于蛙泳、蝶泳和仰泳的能量消耗，1.6 m/s时蛙泳能量消耗也显著高于蝶泳和自由泳的能量消耗，自由泳能量消耗最低，其次为仰泳、蝶泳，蛙泳能量消耗为最高。而在自由泳动作技术中，上肢的动作技术是重点关注对象，因为在自由泳中，手臂的运动是推进力的主要提供者，它能提供70%左右的推进力[1]。它为本研究中腕关节的VM的加速度值和气体代谢能耗值为腕、腰、踝3个部位中加速度数值相关度最高者提供了理论依据，因此，肯定了今后在用加速度计数自由泳能量消耗的佩戴准确部位就是腕部。本研究建立的腕部VM结合速度平方和BW建立的水槽中加速度计数推导的能量消耗预测方程，r2=0.492，说明该方程能解释水槽中自由泳能耗的49.2%，其他的决定能量消耗的因素可能与速度等因素相关。

水槽和泳池中腕VM的加速度计数具有显著性差异且泳池中还包含了3个转身的动作，实验结果水槽中所测数值要明显高于泳池中，这与本研究中的13名运动员均是第一次进入水槽进行测试有一定程度相关。研究认为，经过10周的水槽训练，发现大多数运动员的技术经济性曲线在4周和10周后都出现右移，尤其10周的变化与开始相比有了显著性差异[5]。这预示，运动员经过10周的训练，技术的熟练程度都有了明显的提高，从而可以更少的能量消耗完成同样速度的持续游。因此，运动员在水槽中的技术水平不同将会影响能量消耗的测试结果，也建议在今后研究游泳能量消耗测试的方法时，还是在泳池环境中更加具有真实性。

关于最大强度游泳时能量消耗的文献非常少，决定游泳大强度训练能量消耗水平不仅取决于有氧和无氧供能系统，也与速度、泳姿等参数相关，同时，游泳运动员的年龄，性别和技术水平等因素都会通过水流阻力和推进效率影响着能量消耗。但也有研究表明[8]，以30名专业自由泳运动员(10名少年男性、5名少年女性运动员和10名成年男性、5名成年女性运动员)为研究对象，探讨性别和年龄对200 m游泳能量消耗的影响，用道格拉斯气袋法收集耗氧量，根据耗氧量和游速的比率推测能量消耗，结果发现，没有显著性影响[8]。本研究中平均每分能量消耗值男女有性别差异，提示接合体重变量的气体代谢法和HR法能量消耗值可见，男女运动员的能量消耗不同，个体之间也有差异，能量补充应根据个体情况的能量消耗为主。

5 小结

1.在水槽中3种能量代谢测试方法提示， HR、 腕、踝关节加速度综合计数均与气体代谢能耗水平具有显著的相关关系。

2.加速度计算自由泳能量消耗的最佳方法是腕关节部位加速度综合计数。

3.泳池中测试运动员能量消耗应该更加具有真实性。

4.能量消耗的评价要考虑到性别、BW和技术水平之间的差异。

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TheAccuracyofThreeIndirectMetabolicTestMethodsTestingEnergyExpenditureofFreestyleSwimminginSwimmingFlum

QIU Jun,ZHAO De-feng,WANG Jin-hao

Objective:Compare gaseous metabolism test method,heart rate and triaxial accelerometer three indirect metabolic test methods to explore the feasibility and accuracy of Actigraph accelerometer in testing energy expenditure in freestyle swimming and derivate energy consumption equation of freestyle swimming.Methods:In swimming flum used K4b2 gas metabolism to contrast heart rate value and acceleration values which collected by Actigraph activity monitors worn on 21 freestyle swimmers’ ankle,waist and wrist three different parts to determine the highest correlation value compared with gas metabolism test method.Then Tested heart rate value and triaxial accelerometer of wrist,in the 50-meter swimming pool and compared the data obtained in swimming flum,to determine the variability of energy metabolism test result which done in pool and swimming flum.Results:Among acceleration values from ankle,waist,wrist position,wrist acceleration values have highest correlation with gas metabolism values,VM acceleration value was a moderate correlation with gas metabolism values.Average energy consumption value of gas metabolism and heart rate in women athletes was significantly lower than in men athletes,but total energy expenditure values in all tests have no gender difference.Derivated equation use VM values of wrist as an independent variable,combined with weight,square of speed,built accelerometer non-standardized regression equation of energy consumption equation:EE(Kcal)=4.488+2.197×velocity2+ 0.171×weight-0.00011×wrist VM;wrist VM acceleration count in swimming flum was significantly higher than the value measured in swimming pool.Conclusion:1) In swimming flum,heart rate and accelerator VM counts from wrist and ankle all have a significant correlation with gas metabolism values.2) The best accelerate method to count energy expenditure for free style swimming is accelerator VM counts from wrist.3) Test energy expenditure of freestyle swimming in swimming pool should be more variability.

swimmingflum;energyexpenditure;accelerometer

2013-08-02；

：2013-12-23

国家体育总局科研项目资助(2011B024);上海市科委课题资助(12231203000)。

邱俊 (1971-)，女，浙江省人，副研究员，博士，研究方向为运动员机能监控和营养调控工作， Tel:(021)64880712,E-mail:qiujung@hotmail.com。

上海体育科学研究所，上海 200037 Shanghai Research Institute of Sports Science,Shanghai 200037,China.

1002-9826(2014)02-0024-04

G861.101.2

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