《Energy and Buildings》：Developing a simple metabolic rate prediction model for children and adolescents using heart rate and accelerometry
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儿童青少年代谢率预测模型研究：基于心率与三轴加速度融合方法，验证ISO 8996模型适用性不足，提出新模型将平均偏差降低15.42%，RMSE减少50.52%，为学校建筑热舒适评估提供新工具。
高月月|李燕燕|高思如|朱曦|段文龙|王雪|张慧|翟永超
西安建筑科技大学建筑学院，中国陕西省西安市710055
摘要
准确且实时的代谢率监测对于评估热舒适度和热环境至关重要。尽管ISO 8996提供了一种基于心率的方法来估算代谢率，但该方法源自成人数据，未能考虑到儿童和青少年的独特代谢特征，如较高的基础代谢率、更高的心率和更活跃的活动模式。本文测量了140名6至19岁中国受试者在12种常见活动中的代谢率、心率和三轴加速度。结果表明，ISO 8996基于心率的模型系统性地低估了这一群体的代谢率，平均偏差为15.42%，尤其是在躺卧活动期间误差更大（男孩为59.9%，女孩为54.2%）。为了解决这一局限性，本文开发了一种新的预测模型，该模型整合了心率和三轴加速度数据。与ISO 8996模型相比，所提出的模型平均偏差为-3.46%，RMSE降低了50.52%。基于实验数据，本文建立了一种无需昂贵测量设备即可准确预测儿童和青少年代谢率的方法，从而为中小学教室的热舒适度研究提供了可靠的工具。
引言
人体代谢率是热舒适度评估和建筑环境设计中的关键参数[1]。在PMV等热平衡模型中，代谢率直接影响预测的热感觉，进而影响暖通空调控制策略和室内温度设定。然而，在实地研究中，准确测量代谢率仍然具有挑战性。ISO 8996标准提供了四种估算代谢率的方法：筛查、观察、分析和专家判断，其中基于心率的分析方法因其实用性和准确性之间的平衡而在建筑相关研究中最为常用[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，ISO 8996心率模型主要基于西方人群的成人数据开发。其是否适用于儿童和青少年尚未得到充分验证。对于学校建筑而言，这一局限性尤为重要，因为建筑内的使用者大多年龄在18岁以下，而代谢率的假设直接影响热舒适度评估和温度控制决策[7]、[8]。
对于相同的活动强度，儿童的心率和代谢率可能高于成人，这会改变心率-代谢率关系的斜率和截距。如果不考虑这些差异，代谢率可能会被误估，导致PMV预测不准确，从而可能使教室内的温度设置不当。
儿童和青少年经历快速的生理发育，表现为体型和组成、心血管功能以及代谢效率的变化[9]、[10]、[11]。先前的研究表明，儿童的基础代谢率（BMR）和静息代谢率（RMR）通常高于成人，并且通常会随着年龄增长而下降[12]、[13]。此外，由于每搏输出量较低和心血管系统未完全成熟，儿童通常表现出更高的RMR和更大的心率（HR）变异性[14]、[15]。这些发育特征意味着儿童的心率-代谢率关系可能与基于成人的模型有所不同。对于相同的活动强度，儿童和青少年可能具有更高的心率和代谢率，这会改变心率-代谢率关系的斜率和截距。如果不考虑这些差异，代谢率可能会被误估，导致PMV预测不准确，从而可能使教室内的温度设置不当。
可穿戴传感技术的最新发展为改进代谢率估算提供了新的机会。加速度计已被广泛验证可用于通过捕捉多轴运动强度来估算儿童的能量消耗[16]、[17]、[18]。多项研究表明，将加速度计数据与心率数据结合使用可以提高预测准确性，优于单参数模型[19]、[20]、[21]、[22]。Freedson等人[23]于1998年首次在右髋部使用单轴加速度计来估算能量消耗，显示出对中等到剧烈体力活动的强预测能力（R2 = 0.82），尽管青少年的误差率仍在10%至20%之间。Puyau等人[24]开发了首个专门针对儿童的模型，结合了髋部佩戴的加速度计数据和体重，将误差降低到大约12%。最近，García-Prieto等人[25]将右髋部的三轴加速度与心率储备百分比相结合，用于估算儿童在非结构化活动中的能量消耗。他们报告称，单独使用加速度计时预测误差约为12%，而结合心率数据后误差降低到9%。然而，在热舒适度研究的背景下，需要区分能量消耗和代谢率。虽然能量消耗包括机械功和热量产生，但热舒适度模型主要需要按体表面积标准化的代谢热量产生（W/m2）[26]、[27]。因此，现有的基于加速度计的能量消耗方程不能直接应用于热舒适度研究，需要进行调整[28]、[29]。
关于热舒适度的实地研究表明，准确的代谢率估算对于可靠的热环境评估至关重要[1]、[30]、[31]。当将成人的代谢率值应用于儿童和青少年时，他们的代谢需求往往被低估，可能导致室内设计温度偏离实际舒适要求[32]、[33]。同样，未经调整直接应用ISO 8996基于心率的方法也可能引入系统偏差。这种不准确性可能会影响热舒适度评估、暖通空调系统的尺寸和运行，最终影响教育建筑的能源使用。因此，为儿童和青少年开发一种准确且实用的代谢率预测方法仍然是建筑相关应用中的重要挑战。
本研究旨在：（1）实验评估ISO 8996基于心率的预测方法在儿童和青少年中的适用性；（2）研究不同活动强度下心率和代谢率之间的关系；（3）开发并验证一种整合心率和三轴加速度数据的简化预测模型。通过提供一种适合年龄的代谢率估算方法，本研究有助于更准确的热舒适度评估，为儿童和青少年创造健康舒适的室内环境。
方法论
本研究分为三个阶段进行：（1）评估ISO 8996:2021基于心率的代谢率估算方法在儿童和青少年中的适用性；（2）开发针对儿童和青少年的基于心率的预测模型；（3）开发并验证整合心率和三轴加速度数据的预测模型。研究框架的概览如图1所示。
实验结果
表4展示了所有活动条件下儿童和青少年代谢率、心率（HR）、心率变异性（HRR）和加速度计计数的平均值和标准差。加速度计指标包括从手腕（VMS）、腰部（VMY）和脚踝（VMJ）传感器获取的三轴矢量幅度。所有结果按活动类型和年龄组呈现。受试者被分为五个年龄段：6-7岁、8-10岁、11-13岁、14-16岁和17-19岁。由于招募较年轻受试者的难度
结论
基于140名中国儿童和青少年的代谢率、心率和三轴加速度数据，本研究开发并验证了一种简单而稳健的儿童和青少年代谢率估算方法。主要发现总结如下：
ISO 8996:2021基于心率的方法不适合儿童和青少年，系统性地低估了代谢率，尤其是在躺卧和站立条件下误差更大。
作者贡献声明
高月月：撰写——初稿，正式分析，数据整理。李燕燕：验证，方法论。高思如：撰写——审阅与编辑，验证。朱曦：可视化，软件。段文龙：调查，数据整理。王雪：项目管理，方法论，资金获取。张慧：监督，项目管理。翟永超：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52308113和52278126）、博士后奖学金计划和中国博士后科学基金（项目编号BX20240275）以及陕西省重点研发项目（合同编号2023-ZDLSF-66）的支持。
