AnyBody　应用案例

概要

AnyBody 软件中有一个名为Pmet的输出项，该数值代表肌肉的代谢功率，单位为焦耳 / 秒（J/s）。 我们将每个时刻全身所有肌肉的代谢功率 Pmet 进行累加，从第 n 步的数值 Pmet (n) 出发，计算出 dt 秒内的做功量 Q = Pmet (n) × dt，再对整个分析过程结束前的所有做功量求和，最终就能得到该动作所消耗的代谢能量，单位为焦耳（J）。如果动作具有周期性，只需分析一个周期内的运动，即可推算出持续运动时的代谢能量。

下文将以一个步态周期（右脚跟触地至下一次右脚跟触地）为对象进行分析，计算其代谢能量。

【分析模型与条件】
●模型：男性（身高 1.75 米，体重 66 千克）
●运动数据：采用 VICON 运动捕捉系统采集的自然步行动作
●地面反力：使用 AnyBody 自带的反力估算功能计算
●肌肉模型：上下肢肌肉均采用希尔（Hill）肌肉模型
●代谢计算：Pmet 的计算采用昂伯格（Umberger）肌肉代谢模型※
※ 引用文献Brian R. Umberger (2010) “Stance and swing phase costs in human walking” J. R.Soc. Interface 7, 1329–1340。

【分析结果】

图 1 展示了通过 AnyBody 分析得到的运动动画结果。



图 2 呈现了骨盆在行进方向上的位移随时间的变化关系。一个完整的步行周期耗时 1.23 秒，此期间骨盆在行进方向的位移为 1.47 米，平均移动速度约为 1.2 米 / 秒。



图 3 为肌肉代谢能量的相关数据。通过累计值计算，一个步态周期的能量消耗为 303 焦耳。



据此估算，若以相同步速持续步行 30 分钟，总能量消耗为：
303 [J]×60/1.23×30 = 443,414.63 [J]
在下一章节中，我们将通过代谢当量（METs）验证该分析结果的合理性。

基于代谢当量（METs）的能量消耗计算

METs（代谢当量）是代谢当量（Metabolic equivalent）的复数形式，是衡量身体活动（运动）强度的单位。它表示某一动作消耗的能量是安静状态下能量消耗的倍数，METs 数值越大，代表运动量越高。

计算公式：
METs（代谢当量）= 运动时代谢率（M） / 静息代谢率（RMR）
其基准值为静坐状态（安静坐姿）的代谢量，无论性别、体重，均以安静时的需氧量 3.5 毫升 / 千克 / 分钟 为计算标准；行业通用假设为：每升氧气消耗释放的热量为 5 千卡。

1 MET 对应的能量消耗计算：
3.5 [mL/(kg・min)] × 5 [kcal/L] × 60 [min/h] = 1.05 [kcal/(kg・h)]]
即：1 MET = 1.05 千卡 /(千克・小时)

步行速度与耗氧量（VO₂）存在相关性，平地步行的耗氧量可通过以下公式估算（速度单位：米 / 分钟）：

VO₂ = 速度 (米 / 分钟)×0.1 + 3.5
式中：VO₂单位为 毫升 / 千克 / 分钟，通过该公式可进一步计算步行的能量消耗。

本次分析的步行数据平均值为 1.2 米 / 秒，换算为每分钟则是 72 米 / 分钟，因此：
VO₂ = 72 (米 / 分钟)×0.1 + 3.5 = 10.7

将该数值换算为 METs，结果为 10.7÷3.5 = 3.057。

日本国立研究研发法人医疗基础・健康・营养研究所官网刊载的资料《修订版 “身体活动的 METs 表”》（2012 年 4 月 11 日修订）中，记录了各类动作的 METs 值（网址：https://www.nibiohn.go.jp/eiken/programs/2011mets.pdf）。
本次步行动作（72 米 / 分钟，4.32 公里 / 小时）与之接近的是，该资料第 40 页记载：步行：4.0 公里 / 小时，平坦坚硬地面时的 METs 值为3，与上述数值基本一致。

体重 66 千克的人以 3METs 的强度步行 30 分钟，根据 METs 计算的能量消耗为 103.95 千卡。

计算公式：

66 [Kg]×1.05 [kcal/(kg・小时)]×0.5 [小时]×3 [METs] = 103.95 [kcal]

如前所述，AnyBody 分析得出的代谢能量为 443,414.63 焦耳。根据换算关系 4.184 焦耳 = 1 卡路里，该数值换算为千卡后为 105.98 千卡，与 METs 计算结果 103.95 千卡基本一致，验证了分析结果的合理性。



从过往的分析经验可以确认，AnyBody 能够对步行动作的能量消耗进行准确计算。借助该软件，我们可以对比不同动作的代谢能量，判断动作的效率；也可以通过代谢能量反推人体的耗氧量。

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1) Department of Materials and Production, Aalborg University, Aalborg, Denmark
2) AnyBody Technology A/S, Aalborg, Denmark
3) Department of Clinical Medicine, Aalborg University and Aalborg University Hospital, Aalborg, Denmark.
https://conta.cc/3lO1jTW