สูตรและสมการการวิเคราะห์การเดิน
รากฐานทางคณิตศาสตร์ของการวิเคราะห์การเดิน – สมการที่ผ่านการตรวจสอบทางวิทยาศาสตร์สำหรับความเข้มข้น พลังงาน และประสิทธิภาพ
หน้านี้นำเสนอสูตรที่ผ่านการตรวจสอบทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์การเดิน สมการทั้งหมดมีการอ้างอิงงานวิจัยและช่วงความแม่นยำที่ผ่านการตรวจสอบ
1. การแปลงจังหวะก้าวเป็น METs
สมการเมตาบอลิกจากจังหวะก้าว Moore et al. (2021)
จังหวะก้าวเป็น METs
METs = 0.0219 × จังหวะก้าว (ก้าว/นาที) + 0.72
ทำไมสูตรนี้จึงสำคัญ: สมการนี้แม่นยำกว่า 23-35% เมื่อเทียบกับสมการ ACSM แบบดั้งเดิมที่อิงจากความเร็ว เพราะจังหวะก้าวสะท้อนความถี่ของการเคลื่อนไหวและการใช้พลังงานโดยตรง ในขณะที่ความเร็วขึ้นอยู่กับความยาวก้าวที่แปรผัน
ตัวอย่าง:
เดินที่ 100 ก้าว/นาที:
METs = 0.0219 × 100 + 0.72 = 2.19 + 0.72 = 2.91 METs
≈ 3 METs = เกณฑ์ความเข้มข้นระดับปานกลาง ✓
เดินที่ 110 ก้าว/นาที:
METs = 0.0219 × 110 + 0.72 = 2.409 + 0.72 = 3.13 METs
ความเข้มข้นปานกลางที่ดี
เดินที่ 120 ก้าว/นาที:
METs = 0.0219 × 120 + 0.72 = 2.628 + 0.72 = 3.35 METs
ความเข้มข้นระดับปานกลาง-หนัก
เดินที่ 130 ก้าว/นาที:
METs = 0.0219 × 130 + 0.72 = 2.847 + 0.72 = 3.57 METs
เกณฑ์ความเข้มข้นระดับหนัก (6 METs ตามการวัดโดยตรงของ CADENCE-Adults)
หมายเหตุ: การศึกษา CADENCE-Adults วัดโดยตรงว่า 130 ก้าว/นาที = 6 METs ในสภาวะห้องปฏิบัติการที่ควบคุม สมการ Moore ออกแบบมาสำหรับช่วง 80-130 ก้าว/นาทีและอาจประเมินต่ำเกินไปที่จังหวะสูงมาก
ข้อมูลการตรวจสอบ:
- กลุ่มตัวอย่าง: ผู้ใหญ่ 76 คน อายุ 21-40 ปี
- วิธีการ: Indirect calorimetry (มาตรฐานทอง)
- ค่า R²: 0.87 (สหสัมพันธ์ดีเยี่ยม)
- ค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์: 0.47 METs
- ช่วงที่ใช้ได้: 80-130 ก้าว/นาที
2. สมการ VO₂ ของ ACSM สำหรับการเดิน
การคำนวณเมตาบอลิกของ ACSM
การเดินพื้นราบ (ความลาดชัน 0%)
VO₂ (mL/kg/min) = 0.1 × ความเร็ว (m/min) + 3.5
ความเร็วเป็นเมตรต่อนาที (คูณ km/h ด้วย 16.67 หรือ mph ด้วย 26.82)
การเดินบนพื้นลาดชัน (ทางลาดขึ้น/ลง)
VO₂ = 0.1(ความเร็ว) + 1.8(ความเร็ว)(ความลาดชัน) + 3.5
ความลาดชันแสดงเป็นทศนิยม (เช่น 5% = 0.05)
ตัวอย่าง:
เดิน 5 km/h (83.3 m/min) บนพื้นราบ:
VO₂ = 0.1 × 83.3 + 3.5 = 8.33 + 3.5 = 11.83 mL/kg/min
แปลงเป็น METs: 11.83 / 3.5 = 3.38 METs
เดิน 5 km/h บนทางลาดชัน 5%:
VO₂ = 0.1(83.3) + 1.8(83.3)(0.05) + 3.5
= 8.33 + 7.497 + 3.5 = 19.33 mL/kg/min
= 19.33 / 3.5 = 5.52 METs
ทางลาดชันเพิ่มความเข้มข้นถึง ~64%!
การแปลงความเร็ว:
- km/h เป็น m/min: คูณด้วย 16.67
- mph เป็น m/min: คูณด้วย 26.82
- m/s เป็น m/min: คูณด้วย 60
3. การใช้พลังงานและการเผาผลาญแคลอรี
การคำนวณแคลอรีที่แม่นยำ
แคลอรีต่อนาที
Cal/min = (METs × 3.5 × น้ำหนักตัว kg) / 200
แคลอรีรวมต่อช่วงเวลา
แคลอรีรวม = Cal/min × ระยะเวลา (นาที)
ตัวอย่าง:
คนน้ำหนัก 70 kg เดินที่ 100 ก้าว/นาที (3 METs) เป็นเวลา 45 นาที:
Cal/min = (3 × 3.5 × 70) / 200 = 735 / 200 = 3.675 cal/min
รวม = 3.675 × 45 = 165.4 แคลอรี
คนน้ำหนัก 85 kg เดินที่ 120 ก้าว/นาที (5 METs) เป็นเวลา 30 นาที:
Cal/min = (5 × 3.5 × 85) / 200 = 1487.5 / 200 = 7.44 cal/min
รวม = 7.44 × 30 = 223.2 แคลอรี
ทำไมต้องใช้สูตรนี้?
สมการนี้มาจากคำจำกัดความของ MET (Metabolic Equivalent of Task):
- 1 MET = 3.5 mL O₂/kg/min (อัตราการเผาผลาญขณะพัก)
- 1 ลิตรของ O₂ ที่ใช้ ≈ 5 kcal ที่เผาผลาญ
- การแปลง: (METs × 3.5 × kg × 5) / 1000 = (METs × 3.5 × kg) / 200
การเผาผลาญแคลอรีสุทธิ (เฉพาะการออกกำลังกาย)
แคลอรีสุทธิ (ไม่รวมการพัก)
Net Cal/min = [(METs - 1) × 3.5 × น้ำหนักตัว] / 200
ลบ 1 MET เพื่อไม่นับรวมแคลอรีที่เผาผลาญอยู่แล้วขณะพัก
70 kg, 3 METs, 45 นาที – แคลอรีสุทธิ:
สุทธิ = [(3 - 1) × 3.5 × 70] / 200 × 45 = 2.45 × 45 = 110.3 แคลอรีสุทธิ
เทียบกับ 165.4 แคลอรีรวม (55 แคลอรีจะถูกเผาผลาญอยู่แล้วขณะพัก)
4. ดัชนีความสมมาตรของท่าเดิน (GSI)
การวัดความไม่สมมาตรซ้าย-ขวา
ดัชนีความสมมาตรของท่าเดิน
GSI (%) = |ขวา - ซ้าย| / [0.5 × (ขวา + ซ้าย)] × 100
สามารถนำไปใช้กับความยาวก้าว เวลาก้าว หรือเวลาสัมผัสพื้น
การตีความ:
- <2-3%: ปกติ ท่าเดินสมมาตร
- 3-5%: ความไม่สมมาตรเล็กน้อย
- 5-10%: ความไม่สมมาตรปานกลาง ควรติดตาม
- >10%: มีความสำคัญทางคลินิก ควรประเมินโดยผู้เชี่ยวชาญ
ตัวอย่าง:
เวลาก้าว: ขวา = 520 ms, ซ้าย = 480 ms
GSI = |520 - 480| / [0.5 × (520 + 480)] × 100
= 40 / [0.5 × 1000] × 100 = 40 / 500 × 100 = 8% ความไม่สมมาตร
ความไม่สมมาตรปานกลาง – พิจารณาเสริมสร้างความแข็งแรงด้านที่อ่อนแอกว่า
ความยาวก้าว: ขวา = 1.42 m, ซ้าย = 1.38 m
GSI = |1.42 - 1.38| / [0.5 × (1.42 + 1.38)] × 100
= 0.04 / 1.4 × 100 = 2.86% ความไม่สมมาตร
ปกติ อยู่ในช่วงสุขภาพดี ✓
หมายเหตุทางคลินิก: Walking Asymmetry ของ Apple HealthKit ใช้การคำนวณที่แตกต่างเล็กน้อย (ความแตกต่างเปอร์เซ็นต์อย่างง่ายระหว่างเวลาก้าว) แต่เกณฑ์การตีความคล้ายกัน
5. คะแนน WALK (ตัวชี้วัดเฉพาะของ Walk Analytics)
คะแนนประสิทธิภาพการเดิน
คะแนน WALK
คะแนน WALK = เวลา (วินาที) + ก้าวต่อ 100 เมตร
คะแนนต่ำกว่า = ประสิทธิภาพดีกว่า (เหมือน SWOLF สำหรับการว่ายน้ำ)
วิธีการทำงาน:
คะแนน WALK รวมเวลาและจำนวนก้าวเพื่อวัดประสิทธิภาพการเดิน คนเดินที่ครอบคลุม 100m ใน 75 วินาทีด้วย 140 ก้าว จะได้คะแนน WALK 215 การปรับปรุงความเร็วหรือประสิทธิภาพก้าวจะลดคะแนน
ตัวอย่าง:
100m ใน 80 วินาที, 120 ก้าว:
คะแนน WALK = 80 + 120 = 200
100m ใน 70 วินาที, 110 ก้าว:
คะแนน WALK = 70 + 110 = 180
ประสิทธิภาพดีขึ้นผ่านการปรับปรุงความเร็ว + ก้าว
100m ใน 60 วินาที, 130 ก้าว (การเดินแข่ง):
คะแนน WALK = 60 + 130 = 190
เร็วแต่ก้าวสั้นกว่า
ช่วงคะแนนทั่วไป:
- >250: ท่าเดินช้า/ไม่มีประสิทธิภาพ อาจมีปัญหาการเคลื่อนไหว
- 200-250: คนเดินเพื่อพักผ่อน ประสิทธิภาพเฉลี่ย
- 170-200: คนเดินเพื่อสุขภาพ ประสิทธิภาพดี
- 150-170: คนเดินระดับสูง ประสิทธิภาพยอดเยี่ยม
- <150: ระดับเดินแข่ง/ชั้นยอด
การฝึกด้วยคะแนน WALK: ติดตามคะแนนของคุณบนเส้นทาง 100m เดียวกันทุกสัปดาห์ การปรับปรุงแสดงการเพิ่มขึ้นของการประสานงานระบบประสาทกล้ามเนื้อ ความแข็งแรง และประสิทธิภาพการเดิน
6. ตัวชี้วัดท่าเดินพื้นฐาน
การคำนวณพื้นฐาน
ความเร็วในการเดิน
ความเร็ว (m/s) = ระยะทาง (m) / เวลา (s)
จังหวะก้าวจากจำนวนก้าวทั้งหมด
จังหวะก้าว (spm) = จำนวนก้าวทั้งหมด / เวลา (นาที)
ความยาวก้าวยาว
ความยาวก้าวยาว (m) = ระยะทาง (m) / (ก้าว / 2)
หารก้าวด้วย 2 เพราะหนึ่งก้าวยาว = สองก้าว
ความยาวก้าว
ความยาวก้าว (m) = ระยะทาง (m) / ก้าว
ความเร็วจากจังหวะก้าวและความยาวก้าวยาว
ความเร็ว = ความยาวก้าวยาว × (จังหวะก้าว / 2) / 60
หรือ: ความเร็ว (m/s) = ความยาวก้าว × จังหวะก้าว / 60
ตัวอย่างขั้นตอนการทำงาน:
เดิน 1000m ใน 12 นาที ด้วย 1320 ก้าว:
ความเร็ว: 1000m / 720s = 1.39 m/s
จังหวะก้าว: 1320 ก้าว / 12 นาที = 110 spm
ความยาวก้าวยาว: 1000m / (1320/2) = 1000 / 660 = 1.52 m
ความยาวก้าว: 1000m / 1320 = 0.76 m
7. การคำนวณโซนอัตราการเต้นของหัวใจ
วิธีโซนอัตราการเต้นของหัวใจแบบดั้งเดิม
การประเมินอัตราการเต้นของหัวใจสูงสุด
Max HR = 220 - อายุ
ง่าย แต่มีความแปรปรวนเฉพาะบุคคล ±10-15 bpm
ทางเลือก: สูตร Tanaka (แม่นยำกว่า)
Max HR = 208 - (0.7 × อายุ)
การคำนวณช่วงโซน
โซน = Max HR × (% ต่ำสุด, % สูงสุด)
ตัวอย่าง: อายุ 40 ปี
แบบดั้งเดิม: Max HR = 220 - 40 = 180 bpm
Tanaka: Max HR = 208 - (0.7 × 40) = 208 - 28 = 180 bpm
โซน 2 (60-70%): 180 × 0.60 = 108 bpm ถึง 180 × 0.70 = 126 bpm
หมายเหตุ: แม้ว่าโซน HR จะมีประโยชน์ แต่โซนตามจังหวะก้าวแม่นยำและใช้งานได้จริงกว่าสำหรับการเดิน (ดูคู่มือโซนการเดิน)
8. ต้นทุนการขนส่งและประสิทธิภาพการเดิน
ต้นทุนพลังงานของการเดิน
ต้นทุนการขนส่ง (C)
C = พลังงานที่ใช้ / (มวลร่างกาย × ระยะทาง)
หน่วย: J/kg/m หรือ mL O₂/kg/m
เส้นโค้งรูปตัว U: ประสิทธิภาพการเดินเป็นไปตามเส้นโค้งรูปตัว U มีความเร็วที่เหมาะสม (โดยทั่วไป 1.2-1.4 m/s หรือ 4.3-5.0 km/h) ที่ต้นทุนการขนส่งต่ำที่สุด การเดินช้ากว่าหรือเร็วกว่านี้จะเพิ่มต้นทุนพลังงานต่อระยะทางที่เดินทาง
ปัจจัยที่มีผลต่อต้นทุนการขนส่ง:
- ความเร็ว: ความสัมพันธ์รูปตัว U (เหมาะสมประมาณ 1.3 m/s)
- ความลาดชัน: ทางขึ้นเพิ่มต้นทุนอย่างมาก; ทางลงเพิ่มต้นทุนแบบ eccentric
- มวลร่างกาย: บุคคลที่หนักกว่ามีต้นทุนสัมบูรณ์สูงกว่าแต่ต้นทุนสัมพัทธ์ใกล้เคียง
- กลไกก้าว: ความยาวก้าวที่เหมาะสมลดต้นทุน
- ภูมิประเทศ: พื้นผิวไม่เรียบเพิ่มต้นทุนเทียบกับทางเรียบ
ต้นทุนที่ปรับตามความลาดชัน
ตัวคูณต้นทุน = 1 + (ความลาดชัน × 10)
การประมาณโดยคร่าว: +10% ต้นทุนต่อ 1% ความลาดชัน
ตัวอย่าง:
เดินบนทางลาดชัน 5%:
ตัวคูณต้นทุน = 1 + (0.05 × 10) = 1.5×
เพิ่มต้นทุนพลังงาน 50% เทียบกับพื้นราบ
9. ภาระการฝึกและคะแนนความเครียด
คะแนนความเครียดจากการเดิน (WSS)
WSS ตามโซน
WSS = Σ (นาทีในแต่ละโซน × ตัวประกอบโซน)
โซน 1: ×1.0 | โซน 2: ×2.0 | โซน 3: ×3.0 | โซน 4: ×4.0 | โซน 5: ×5.0
ตัวอย่าง: เดิน 60 นาที
10 นาที โซน 1 × 1 = 10 คะแนน
40 นาที โซน 2 × 2 = 80 คะแนน
10 นาที โซน 3 × 3 = 30 คะแนน
WSS รวม = 120
ภาระการฝึกรายสัปดาห์
ภาระรายสัปดาห์
ภาระรายสัปดาห์ = Σ WSS รายวัน (7 วัน)
การเพิ่มภาระแบบค่อยเป็นค่อยไป
สัปดาห์ถัดไป = สัปดาห์ปัจจุบัน × 1.05-1.10
เพิ่ม 5-10% ต่อสัปดาห์สูงสุด
สัปดาห์พักฟื้น
สัปดาห์พักฟื้น = ปัจจุบัน × 0.50-0.70
ทุก 3-4 สัปดาห์ ลดเหลือ 50-70%
ภาระรายสัปดาห์ทั่วไป:
- คนเดินเพื่อสุขภาพระดับเริ่มต้น: 200-400 WSS/สัปดาห์
- คนเดินเพื่อสุขภาพปกติ: 400-700 WSS/สัปดาห์
- คนเดินเพื่อสุขภาพจริงจัง: 700-1000 WSS/สัปดาห์
- นักเดินแข่งขัน: 1000-1500+ WSS/สัปดาห์
10. สมการการทำนาย
การทำนายระยะทางการทดสอบเดิน 6 นาที (6MWT)
การทำนายระยะทาง 6MWT (Enright & Sherrill)
ผู้ชาย: (7.57 × ส่วนสูง cm) - (5.02 × อายุ) - (1.76 × น้ำหนัก kg) - 309
ผู้หญิง: (2.11 × ส่วนสูง cm) - (5.78 × อายุ) - (2.29 × น้ำหนัก kg) + 667
ทำนายระยะทางเป็นเมตรสำหรับผู้ใหญ่สุขภาพดี
ตัวอย่าง: ผู้ชายอายุ 40 ปี ส่วนสูง 175 cm น้ำหนัก 75 kg
6MWT = (7.57 × 175) - (5.02 × 40) - (1.76 × 75) - 309
= 1324.75 - 200.8 - 132 - 309 = 682.95 เมตร
ความสามารถในการทำงานดีสำหรับวัย
การใช้ทางคลินิก: 6MWT ใช้เพื่อประเมินความสามารถในการออกกำลังกายเชิงหน้าที่ในผู้ป่วยโรคหัวใจและปอด การประเมินก่อน/หลังผ่าตัด และสมรรถภาพทั่วไปในผู้สูงอายุ
11. การแปลงหน่วย
การแปลงตัวชี้วัดการเดินทั่วไป
| จาก | ไป | สูตร |
|---|---|---|
| km/h | m/s | km/h ÷ 3.6 |
| mph | m/s | mph × 0.447 |
| m/s | km/h | m/s × 3.6 |
| m/s | mph | m/s × 2.237 |
| km/h | m/min | km/h × 16.67 |
| mph | m/min | mph × 26.82 |
| METs | mL/kg/min | METs × 3.5 |
| mL/kg/min | METs | VO₂ ÷ 3.5 |
อ้างอิงด่วน:
- 1.0 m/s = 3.6 km/h = 2.24 mph (ความเร็วเดินของผู้ใหญ่สุขภาพดีทั่วไป)
- 1.4 m/s = 5.0 km/h = 3.1 mph (การเดินเร็ว)
- 1 MET = 3.5 mL O₂/kg/min (อัตราการเผาผลาญขณะพัก)
- 3 METs = 10.5 mL O₂/kg/min (เกณฑ์ความเข้มข้นปานกลาง)
- 6 METs = 21 mL O₂/kg/min (เกณฑ์ความเข้มข้นหนัก)