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毕业论文（设计）
英文翻译
原文标题 Influence of Speed and Frequency during Walking
1 and Running on Motion Sensor Output
译文标题 步速和步频在步行和跑步中对运动 1
1 传感器的影响
二Ｏ一八 年 五 月 八 日
步速和步频在步行和跑步中对运动传感器的影响
Ann V. V. Rowlands, Michelle R. Stone, Roger G. Eston
英国埃克塞特大学体育与健康科学学院
摘要 Ann V. V. Rowlands, Michelle R. Stone, Roger G. Eston. 步速和步频在步行和跑步中对运动传感器的影响Med. Sci. Sports Exerc., Vol. 39, No. 4, pp. 716–727, 2007.目的：研究报告指出，加速度计输出与步行/跑步速度之间的线性关系高达10km/h。然而，ActiGraph单轴加速度计以更高的速度计算平台，这项研究的目的是确定三轴加速度计，单轴加速度计和计步器与步速和步频（SF）在步行和跑步速度范围内的关系。方法：9名男性跑步者穿着两台ActiGraph单轴加速度计，两台RT3三轴加速度计（全部设置在1秒时间内）以及两台Yamax计步器。 每个参与者以4和6km/h步行60s，以10,12,14,16和18km/h跑步60s，以20,22,24和26km/h跑步30s。 步频通过视觉计数记录。 结果：ActiGraph计数达到了10km/h(2.5–3.0 Hz SF)(2.5–3.0 Hz SF)之后又下降了(r = 0.02, P 9 0.05)。经过频率相关滤波校正之后，输出稳定在10km/h，但没有下降（r = 0.77，P lt;0.05）。同样，RT3垂直计数在9 10km/h（r = 0.86，P G 0.01）。RT3矢量幅度和前后径和中外侧计数与速度（r 9 0.96，P G 0.001）保持线性关系。通过脚步测量评估的步频与实际步频相比，最高可达20kmIh，但低估了实际步长（Yamax r = 0.97; ActiGraph计步器r = 0.88，均P lt;0.001）。结论：随着速度的增加，ActiGraph活动低估的增加与频率相关的过滤和垂直平面加速度评估有关。RT3矢量幅度与速度密切相关，反映了高速时水平加速度的优势。 这些结果表明ActiGraph低估了高强度活动，即使在频率相关滤波校正之后，RT3也不能校正。 计步器输出与步频密切相关。
关键词：测力计，加速度计，单轴，三轴，活塞，RT3
身体活动测量方面的持续技术进步促进了各种活动监测器（即计步器和加速度计）的开发和使用，以评估自由生活条件下的身体活动。 这些设备可以穿在脚踝，手腕或者躯干。 然而，躯干放置（通常是髋关节）是最常见的放置位置。计步器主要用于评估在走动活动（即步行和跑步）期间采取的步骤。 加速度计测量运动的加速度和减速度。当前的加速度计设计用于检测垂直平面（单轴）或多达三个平面（三轴垂直，中间和前后）的加速度。
一些研究报道了加速度计输出与儿童和成人步行/跑步的速度或能量消耗之间的强烈的线性关系（10,11,16,17,22,24）。 但是，这些研究通常仅以高达约10km/h的速度测试设备。最近，在高速测试之后，ActiGraph单轴加速度计（也称为CSA，MTI和WAM）的有效性已被证明取决于速度。
Brage等人在实验室和现场条件下，在成人步行（3-6km/h）和跑步（8-20km/h）期间检查ActiGraph输出。他们的结果显示，ActiGraph输出（以每分钟计数为单位）随着速度增加到9km/h线性增加（R2 = 0.92，P = 0.001），但是在此速度之后以每分钟约10,000次的速度保持不变。 对儿童的研究表明了类似的发现，除了在较低的ActiGraph输出（大约每分钟8000次计数）发生校正。
ActiGraph计数的这种平衡表示频率相关的滤波，其中来自ActiGraph的信号根据移动的频率进行加权，其中高于或低于0.75Hz的频率受到减小的加权。过滤的目的是排除不可能由人体运动产生的加速度，但是，在低速行驶时，步进频率通常在2.5Hz左右，并且随着行驶速度以曲线方式增加。由于运行速度从10增加到20km/h，相应的步进频率增量相对较小。 但是，当运行速度从20km/h增加到最大速度时，步进频率的增加成比例地增大。因此，频率相关滤波的影响可能在9到20km/h尤其明显，相当于3分钟内的1公里或4.8分钟内的1英里。尽管大多数人一次只能维持几分钟的速度，但加速度计能够使用1-s时期评估活动，短时间的使用很有可能是捕捉短暂的剧烈活动或高强度活动的时候。因此，研究加速度计在这些短时期内捕捉高强度活动的能力是非常重要的。
研究表明，当垂直位移下降时，身体的垂直位移不会随着奔跑速度的增加而改变，反之，身体的水平位移与步幅中身体运动的速度成正比。单轴装置通常设计成与敏感轴在垂直平面中的定向一起被佩戴。 因此，正如Brage及其同事所建议的那样，ActiGraph等单轴设备无法测量以更高速度为主的水平加速度，可能有助于平衡其他人在现场观察到的计数。这将会增加频率相关滤波的效果。 鉴于此，问题出现了，诸如被编程为评估三个平面（垂直，中间和前后）中的运动并计算这些平面中的加速度的复合测量的RT3这样的三轴装置是否能够提供比单轴设备更可靠和有效的运行速度评估。
此外，相对便宜的电子计步器在高速下的表现还不得而知。结合时间量度，这些可以用来提供步频的度量。 已经证明，Yamax SW-200计步器在步行速度上提供了有效且可靠的步数，并且在儿童时速度达到10 km / h时与氧气消耗量呈线性关系，但据我们所知，尚未 在高速运行下进行测试。本研究的目的是确定三轴RT3加速度计，ActiGraph单轴加速度计和Yamax计步器在步行和跑步速度范围内与速度和步频（SF）之间的关系。
方法
过程
从大学田径俱乐部（年龄23.1plusmn;3.4岁;身高177.9plusmn;5.6厘米;质量= 72.5plusmn;8.1公斤）招募了10名男子短跑和中长跑运动员（800-5000米）。 机构伦理委员会批准，所有参与者书面知情同意。 所有参与者被要求完成两个试验。 9名参与者完成了试验1和2，但是由于加速计失败，一名参与者的试验1 RT3数据丢失。参与者穿戴两个RT3加速度计和两个Yamax计步器，每个位于每个髋关节之上，使用整体皮带夹。 在所提供的弹性带上佩戴两个ActiGraph，分别位于每个髋部上方，用于评估垂直平面中的加速度。每个参与者在一台电动跑步机（Woodway Slat Belt ELG55 Weiss，Weil Am Rhein，德国）上以4,5和6 km / h的速度行走60 s（地面实时联系）60 s 在8日，10日，12日，14日，16日和18公里每小时1次，并在20,22,24和26公里每小时跑了30秒。通过视觉计数（实际步数）20步所需的时间在每个速度记录两次以计算步频。 对于每个速度，步频被计算为两个视觉计数的平均值。同一位研究员（M.S.）计算了所有参与者的步频。 一项初步研究表明，在直接视觉计数和后来的视频分析评估的步频之间的平均变动系数在所有测试速度下为0.7％（范围= 0.2-1.6％）。 速度按顺序呈现，根据需要在不同测试速度之间休息1-5分钟
设备
RT3
RT3（Stayhealthy，Inc.，Monrovia，CA）沿着三个正交轴（x，y和z）敏感，分别代表垂直，前后和内侧运动。 从(x2 y2 z2)0.5计算复合度量（合成矢量幅度，vm）。矢量幅度在所有三个平面中都是加速度，是文献中报道的最常见的RT3输出量度。 RT3具有0.05-2.0g的动态范围，并且在2-10Hz范围内敏感。 活动计数与加速度的精确关系（以米/平方秒或g来衡量，其中1g = 9.81 m/s2）尚不清楚。RT3可以被编程为按秒或逐分钟记录数据（分别为1或60秒历元）。 当使用1-s时期和/或需要来自单独载体的信息时，数据收集的持续时间非常有限。 当使用1-s时期时，数据可以被收集达3小时（x，y和z矢量，vm）或9小时（仅vm）。 当使用60秒时期时，可以收集数据至多7天（x，y和z向量，vm）或21天（仅vm）。在本研究中，使用了1-s时期，并且沿着所有三个轴收集数据。 数据被上传到相关软件。 为了确保数据稳定运行，从每个速度中删除了第一个和最后五个数据点。 数据（RT3vm，RT3x，RT3y和RT3z）以每秒计数表示。
ActiGraph
ActiGraph加速度计（GT1M，Fort Walton Beach，FL）对垂直轴上的活动很敏感。以前的ActiGraph版本被称为CSA和MTI。 ActiGraph具有2.13g的动态范围，并且在0.21-2.28Hz的范围内敏感。然而，ActiGraph的频率相关滤波意味着运动根据运动的频率以不同的程度加权，只有在0.75赫兹的运动加权为1.0。ActiGraph可以被编程为在1到5分钟之间记录数据，或者在原始数据模式下以30Hz的速率记录数据。 以原始模式存储数据时，ActiGraph将收集数据2小时45分钟。 当使用一个1-s纪元时，可以收集5天的数据，这比使用RT3的1-s纪元要长得多。ActiGraph还具有计步器功能，可以同步收集步数。 在本研究中，一个1-s时期被用来收集加速度计和步数数据。 数据被上传到相关软件。 为了确保数据稳定运行，从每个速度中删除了第一个和最后五个数据点。 加速计数据（ActiGraph）以每秒计数表示，计步器数据（ActPed）以每分钟步数表示。
Brage等人从机械设置开发了一个方程式，通过将每分钟计数转换为加速度来校正ActiGraph输出，使得在0.95-4.00 Hz范围内的所有值都以相同的权重进行测量。
ActiGraph计数转换为每分钟计数，然后进入下面的公式，以消除频率相关滤波（CorrACT）的影响：
CorrACT (m/s2) = 0.346 ActiGraph/190.48f2-1848.54f 4794.97
其中f是从视觉计数计算出的运动频率（Hz）。
应该注意的是，如果步频是已知的，则只能将ActiGraph输出转换成加速度。 ActiGraph中包含的计步器允许同时采集步进频率数据; 但是，这个功能是为ActiGraph设置为1分钟时设计的。 有可能使用较短的时期访问计步器数据，但是这工作量会很大，因为数据是不同的格式，并且需要重新格式化以与加速度计数据暂时地进行比较。 因此，在基于场的研究中校正频率相关滤波将是困难的。
Yamax 计步器
Yamax Digiwalker SW-200在日本东京被使用。 此单元测量垂直振荡，唯一的输出是累计运动的总数.Yamax将记录多达99,999个累计步数。数据（Yamax）以每分钟步数表示。
图1-实际步频（视觉计数）与Yamax计步器和ActiGraph计步器（ActS）在试验和速度下记录的步频的比较。
图2 - 跨试验和速度的ActiGraph计数的比较。
数据分析
对所有输出变量计算描述性统计。 任何监测仪都没有明显的左右侧差异（P lt;0.05），所以左侧和右侧数据的平均值用于所有分析。 分别对左侧和右侧监视器运行分析不会改变结果，因此只显示平均数据的结果。 除非另有说明，将alpha;设定为0.05。所有事后测试均使用单因素重复测量ANOVA，配对t检验或Tukey检验（适用于重复测量）进行。 Bonferroni调整被用来控制由于多重测试导致的I型错误的虚增风险。 所有统计分析均使用SPSS 11.0版（SPSS Inc.，Chicago，IL）。
通过速度和实验进行对比。使用三因素完全重复测量方差分析（ANOVA）研究步速（视觉计数）与Yamax和ActPed在整个速度和试验中记录的步骤之间的差异。视觉计数的步频与Yamax记录的步数之间的差异。对速度和试验对ActiGraph、CorrACT、和RT3vm的影响进行了调查，使用一系列三、双因素、完全重复措施方差分析。 为了研究三个RT3轴在不同速度下的相对重要性，使用三因素完全重复测量ANOVA研究了RT3在速度和试验中的x、y和z向量之间的差
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