# 传感器与测量科学 · 铁人三项, 等级8：专家

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传感器与测量科学: 100条事实, 10项测试.

如何信任这些数字：效度、信度与误差、跑步功率、核心体温、连续血糖监测仪、肌肉氧传感器、汗液检测、乳酸测量、可穿戴心率、卫星与速度传感器，以及如何解读运动科学证据。

## 测试 1: 效度、信度与误差

- 效度是与标准或金标准测量结果的一致程度。 (来源: Atkinson & Nevill, Sports Med 1998)
- 当真实值没有变化时，可靠的设备给出相近的结果。 (来源: Hopkins, Sports Med 2000)
- 带有固定偏移的设备给出的读数可重复，但有偏差。 (来源: Atkinson & Nevill, Sports Med 1998)
- 偏差使所有读数整体偏高或偏低；随机误差则使读数围绕真实值分散。 (来源: Atkinson & Nevill, Sports Med 1998)
- 它绘制两种方法之差与其均值的关系，显示偏差和95%一致性界限。 (来源: Bland & Altman, Lancet 1986)
- 典型误差是重复试验中受试者内的标准差。 (来源: Hopkins, Sports Med 2000)
- 相关性衡量的是关联，而不是一致性；一台设备可能始终比另一台高20%。 (来源: Bland & Altman, Lancet 1986)
- 以百分比表示误差，可以比较不同测量指标的可靠性。 (来源: Hopkins, Sports Med 2000)
- 如果典型误差超过预期的提高幅度，测试就无法可靠地检测到这种提高。 (来源: Hopkins, Sports Med 2000)
- 良好的可靠性支持监测趋势；而偏差则排除了与实验室直接比较的可能。 (来源: Atkinson & Nevill, Sports Med 1998)

## 测试 2: 跑步功率计

- 脚部传感器和手表根据加速度计、速度和体重来估算功率，而不是测量力。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 不同品牌对跑步功率的建模方式不同，因此它们的数值不能互换。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- Stryd 脚部传感器的重复性最好，而不同技术之间的一致性较差。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., Eur J Sport Sci 2021（五种跑步功率技术）)
- 功率对坡度的反应比心率更快，有助于按用力程度在坡道上配速。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 肌腱回弹和跑姿变化意味着，力学估算值与所消耗的能量只有松散的关系。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 只有部分系统包含对空气阻力的估算，因此顶风时的用力可能被低报。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 跑步和骑行的瓦数并不等同，因此各自需要单独的测试。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 同一台设备内部的一致性比绝对数值更重要。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 跑步中的机械功率取决于被抬起和加速的质量。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 算法更新可能改变数值，因此跨版本比较趋势时要谨慎。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)

## 测试 3: 测量核心体温

- Casa 发现直肠（及胃肠道）测量有效；口腔、耳道、腋下和颞部测量则无效。 (来源: Casa et al., J Athl Train 2007)
- 口呼吸、饮水以及耳道降温，会使读数与直肠温度相比产生很大误差。 (来源: Casa et al., J Athl Train 2007)
- 胶囊测量胃肠道温度，并在通过消化道时以无线方式传输。 (来源: Byrne & Lim, Br J Sports Med 2007)
- 提前数小时服下，胶囊会到达肠道，受冷饮的影响较小。 (来源: Byrne & Lim, Br J Sports Med 2007)
- 皮肤温度受空气、汗液和血流影响，不能可靠地反映核心体温。 (来源: Casa et al., J Athl Train 2007)
- 非侵入式设备根据皮肤温度和热流推算核心体温，存在估算误差。 (来源: Byrne & Lim, Br J Sports Med 2007)
- 体温过高的运动员，口腔或耳部读数看起来可能正常，从而延误降温。 (来源: Casa et al., J Athl Train 2007)
- 监测核心体温有助于安全、稳定地安排热适应训练课。 (来源: Byrne & Lim, Br J Sports Med 2007)
- 每粒胶囊只能使用一次，并可能受食物、饮料和通过时间的影响。 (来源: Byrne & Lim, Br J Sports Med 2007)
- 估算值可能有误；在可能发生热相关疾病时，应以临床体征和直肠测量为准。 (来源: Casa et al., J Athl Train 2007)

## 测试 4: 连续血糖监测仪

- 连续血糖监测（CGM）采样的是组织间液，而不是血液或肌糖原。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 组织间液葡萄糖滞后于血糖，在运动中水平变化迅速时尤其如此。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 它们的研发是为了帮助糖尿病患者避免危险的高血糖和低血糖。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 肝脏会维护血糖，因此在肌肉储备逐渐耗尽时，读数仍可能保持正常。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 综述发现，几乎没有证据表明，由 CGM 指导的补给能提高非糖尿病运动员的成绩。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 葡萄糖快速变化、血流改变和汗液都会降低传感器的准确性。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 压在传感器上睡卧以及校准限制，可能使健康人出现具有误导性的低读数。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 正常的血糖波动可能被过度解读，导致不必要的进食或担忧。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 应激激素促使肝脏释放葡萄糖，在高强度用力的早期，其速度可能超过摄取速度。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)
- 单次读数无法显示糖原状态；症状和计划的摄入量仍是依据。 (来源: Flockhart & Larsen, Sports Med 2024)

## 测试 5: 肌肉氧传感器（NIRS）

- 近红外光谱（NIRS）利用光吸收来估算组织氧合，通常以 SmO2 表示。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 两种色素对近红外光的吸收相近，因此信号会叠加在一起。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 光必须穿过皮肤和脂肪；脂肪层越厚，肌肉的贡献就越小。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 穿透深度约为光源与探测器之间距离的一半。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 不同的肌肉，甚至同一块肌肉的不同部位，在运动中的表现也不同。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 氧饱和度下降表明肌肉的需求超过了局部供应。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- NIRS 拐点平均而言可与其他阈值吻合，但个体间的一致性各不相同。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 放置位置不同，采样的组织也不同，使比较不可靠。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 研究中用 NIRS 以非侵入方式研究氧合、血流和线粒体能力。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)
- 由 NIRS 得出的阈值随放置位置和组织而变化，因此应与其他指标核对。 (来源: Perrey & Ferrari, Sports Med 2018)

## 测试 6: 汗液检测

- 体重减轻1千克，大约相当于1升汗液，前提是已对摄入和排出做了调整。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 汗液钠含量在个体之间相差数倍，因此人群平均值会产生误导。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 局部汗液的钠含量通常高于全身汗液；需要使用校正公式。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 适应了环境的运动员在汗腺中重吸收更多的钠，使浓度降低。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 环境条件和用力程度可使出汗率在每小时不足0.5升到超过2升之间变化。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 用于囊性纤维化的汗液氯化物检测，反映的是因重吸收受损而极咸的汗液。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 在凉爽、低强度条件下测得的结果，可能不适用于炎热、高强度的比赛。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 可见的盐渍表明钠流失多或出汗量大，但只有测试才能将其量化。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 带有校正算法的新型可穿戴贴片在研究中显示出尚可的一致性，但仍在发展中。 (来源: Baker, Sports Med 2017)
- 出汗量 = 1.8 + 0.6 = 2.4升，历时1.5小时，约每小时1.6升。 (来源: Baker, Sports Med 2017)

## 测试 7: 测量血乳酸

- 取手指或耳垂的毛细血管血样，在试纸上进行分析。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 各设备与实验室分析仪的结果大体一致，但彼此之间有差异，因此应始终使用同一台设备。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 汗液的乳酸浓度很高，可能使读数虚高。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 循环和采样的差异可能造成不同部位之间的系统性差距。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 在一个分级阶段中过早取样，可能无法反映稳态反应。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 挤压手指会把组织间液挤入血滴，使读数偏低并失真。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 只有设备和流程保持一致，两次测试之间的变化才有意义。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 糖原水平低、先前的运动以及分级阶段的长度，会改变给定强度下的乳酸水平。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 血乳酸开始积累点取4 mmol/L是一个方便的参照，但其含义因运动员而异。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)
- 糖原状态会改变乳酸的生成，因此测试前的饮食应当标准化。 (来源: Tanner, Fuller & Ross, Eur J Appl Physiol 2010)

## 测试 8: 可穿戴心率传感器

- 胸带通过皮肤上的电极检测心电信号。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 光电容积描记法利用光吸收来检测脉动的血流。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 胸带与心电图的一致性最好；腕式设备表现不一，在椭圆机和有手臂参与的活动中尤其如此。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 有节律的运动可能被误认为脉搏，因此传感器报告的其实是踏频或步频。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 寒冷中的血管收缩会减少手腕处的外周血流。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 在泳池中，传感器与皮肤之间的运动和水会降低准确性。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 上臂处运动较少、接触更好，可减少运动伪影。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 皮肤中的墨水会吸收光，并可能干扰光学信号。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 干燥的电极和衣物产生的静电，可能在开始阶段产生虚假读数。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)
- 轻松跑步时读数接近步频，是步频锁定的典型迹象。 (来源: Gillinov et al., Med Sci Sports Exerc 2017)

## 测试 9: 卫星与速度传感器

- 按间隔记录点位并对轨迹做平滑处理，会削掉弯道，使测得的距离变短。 (来源: Ranacher et al., Int J Geogr Inf Sci 2016（GPS 距离测量误差）)
- 双频（多频段）接收有助于在复杂环境中剔除反射信号。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))
- 多径反射使信号的表观路径变长，造成位置误差。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))
- 只要周长设置正确，转数乘以车轮周长即可得出距离，不受卫星误差影响。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))
- GPS 的垂直精度不如水平精度；气压传感器能很好地跟踪相对高度，但会随天气漂移。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))
- 过境的天气锋面会改变气压，除非重新校准，否则会表现为高度的变化。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))
- 惯性传感器估算步幅和速度；在已知距离上校准可提高准确性。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 惯性传感器在 GPS 无法覆盖的地方也能工作。 (来源: Cerezuela-Espejo et al., PLoS One 2020)
- 周长1%的误差，会使所有速度和距离数据产生1%的误差。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))
- 经认证的赛道是沿最短路线测量的；手表误差和跑宽会增加距离。 (来源: Bowditch, American Practical Navigator (2019))

## 测试 10: 解读运动科学证据

- 一次异常糟糕的测试，仅凭偶然就很可能跟着一次较好的测试，这可能被误认为是处理的效果。 (来源: Barnett et al., Int J Epidemiol 2005)
- 知道自己接受的是哪种处理，可能产生安慰剂效应或反安慰剂效应。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 受试者充当自身对照，这在样本量小时能提高灵敏度。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 如果没有洗脱期，第一种处理的残留效应可能扭曲第二种处理的结果。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 在同一个人身上反复随机安排条件，可检验对该个体有效的方法。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 极小的效应在大样本中也可能具有统计学显著性，却与运动员毫无关系。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 显示出效果的研究更常见于出版物，这会夸大人们感受到的益处。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 多重比较会增加假阳性的概率，除非进行校正。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)
- 糟糕的一场比赛之后往往本来就会跟着一场更好的，而且信念可以提高表现。 (来源: Barnett et al., Int J Epidemiol 2005)
- 研究结果取决于所研究的人群、运动项目和条件。 (来源: Hopkins et al., Med Sci Sports Exerc 2009)

来源: 经同行评审的运动工程学与生理学文献，已成定论的事实以已发表的测试数据与标准为准

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