學齡前兒童身體活動中加速度計的應用進展

王 博，王克平，關宏巖

(1.首都兒科研究所，北京 100020;2.北京物資學院，北京 101149 )

身體活動(physical activity)的定義為：由骨骼肌收縮引起，產生并伴有能量消耗的任何形式的身體運動，在國內常被譯成體力活動。研究證實，身體活動對身心健康有積極作用，適量的身體活動不僅能夠促進兒童的生長發育，維持能量代謝平衡，還有利于兒童的心理健康[1]。在生命發展早期，目前最關注的是0～5歲階段的兒童身體活動，尤其是學齡前期，即3～5歲兒童，該階段兒童參加適當的身體活動對于形成良好的運動習慣，預防超重肥胖、高血壓和心血管疾病等至關重要。

對身體活動進行準確有效的測量十分重要。傳統的身體活動測量方法如自我報告、問卷法，因操作簡便且成本低廉而被廣泛應用，但由于易發生主觀偏倚，導致測量結果準確性不高。直接觀察法和雙標水法分別是區分身體活動強度和測量能量消耗的金標準，但由于操作復雜，測試條件受限等原因，不適用于大規模流行病學調查。近年隨著傳感技術的發展，加速度計已逐漸成為常用的客觀測量身體活動的方法。它可每日連續24小時佩戴，提供身體活動的總量、強度、頻率、持續時間和能量消耗值等信息，因輕巧便攜且佩帶方便，同時不影響調查對象正常活動，測量結果準確，適用于人群流行病學研究。

身體活動強度和活動產生的能量消耗是身體活動最重要的兩個指標。身體活動按照強度可劃分為靜態活動(sedentary behavior，SB)、低強度身體活動(light physical activity，LPA)、中等強度身體活動(moderate physical activity，MPA)、劇烈強度身體活動(vigorous physical activity，VPA)和中等強度及以上身體活動(moderate-to-vigorous physical activity，MVPA)。加速度計法作為客觀的方法學可較準確地區分身體活動的不同強度及估算活動的能量消耗值。目前已有多個研究建立了學齡前兒童身體活動強度的分界值和能量消耗預測模型。

加速度計除了可提供身體活動客觀指標的方法學參考外，還可以作為客觀標準對問卷法等傳統測量方法進行評估。問卷法是評估學齡前兒童身體活動的常用方法，可獲得兒童日常身體活動情況等信息。通過已建立的客觀方法學標準得到的身體活動時間客觀值等結果與問卷法的身體活動時間值進行比較，驗證問卷的信效度。

身體活動不足已成為危害兒童健康的重大公共衛生問題。對此，國際上已有國家發布了針對學齡前兒童的身體活動指南，對日常的身體活動提出了推薦量，包括活動強度和時間。美國國家體育運動教育協會[2]、澳大利亞政府健康部[3]和加拿大運動生理協會[4]均建議學齡前兒童每日身體活動總時間(total physical activity，TPA)應累計達到至少3小時，包括中等強度以上活動時間應累計達到1小時。利用加速度計判斷學齡前兒童日?；顒恿渴欠穹现改贤扑]量逐漸成為熱點，并可從中了解影響兒童身體活動的相關因素。

目前國外對身體活動相關研究開展較多，而我國身體活動研究領域主要集中在學齡期兒童和青少年，對學齡前兒童關注較少。本文通過介紹三種最常用于學齡前兒童身體活動研究的加速度計的功能特點，對其應用研究現狀進行梳理和歸納，為兒童身體活動研究領域提供一些的參考。

1學齡前兒童身體活動研究中常用的加速度計

加速度計實際是一種傳感器，通過將測量物體運動所產生的加速度轉換為電信號，經過處理后得到加速度計數(counts)，代表單位時間內的加速度大小。計數本身并沒有生物學意義，是通過確定不同身體活動強度的分界值(cut-points)和能量計算方程，得到不同強度水平身體活動的時間量和活動的能量消耗值等結果。根據傳感器的數量，加速度計可分為單軸、雙軸、三軸和九軸。單軸為最早一代的設備，只記錄垂直方向的加速度。三軸記錄包括矢狀軸(x軸，水平)、冠狀軸(y軸，縱向)和垂直軸(z軸，垂直)共3個方向。九軸是由2個三軸、1個陀螺儀和1個磁力計組成，屬于最新一代設備，自2017年才開始有相關研究文獻，尚未普及。目前應用最多的是三軸加速度計。

本文選擇了Actigraph、Actical和ActivPAL共三種加速度計，其中Actigraph和Actical是在學齡前兒童身體活動研究中應用最多的前兩位，ActivPAL是目前針對人體姿態識別(站，坐，躺)最準確的加速度計，見表1。

1.1加速度計的常用類型

1.1.1 Actigraph類型

Actigraph(Actigraph LLC，Pensacola FL，USA)中的GT3X為第四代加速度計，采用三軸加速度計數，是目前應用最廣泛的加速度計。最新一代為GT9X，采用九軸加速度計數，目前尚未普及。

Actigraph是被驗證最多的加速度計，除了對身體活動強度的區分和活動產生的能量消耗值預測有很高準確性外，還可以戴在手腕上監測睡眠時間和評估睡眠質量。Johansson等[5]用直接觀察法驗證GT3X判斷身體活動強度的能力，所有身體活動強度結果的Spearman系數范圍為0.69～0.91。另一項檢驗其能量消耗預測能力的研究證實Actigraph對3～5歲兒童各個身體活動強度的能量消耗值預測均比較準確，與間接測熱法的相關系數達到0.82[6]。

1.1.2 Actical類型

Actical(Respironics，Koninklijke Philips Electronics N.V.，Netherlands)在學齡前兒童身體活動研究領域使用的頻率僅次于Actigraph。它是一款三軸加速度計，對垂直軸的加速度最為敏感，其防水功能較好，可在水下1米連續佩戴30分鐘，對身體活動產生能量消耗值的估算和中等以上強度活動的判斷有較好的信度和效度。2006年南卡羅萊納大學的學者Pfeiffer等評估Actical對學齡前兒童身體活動監測的信、效度中顯示，能量消耗值與金標準結果的相關系數為0.89，為顯著相關。中等強度和劇烈強度活動的分界值一致性為0.73和0.85。

1.1.3 ActivPAL類型

ActivPAL(PAL Technologies，Glasgow，Scotland，UK)是人體姿態識別最準確的單軸加速度計，可識別坐姿、臥姿和站立三種姿態。其形似創可貼，可直接接觸皮膚貼在大腿上，通過測量大腿的傾斜角度來判斷大腿的運動方向，從而判斷人體的活動姿態。因為目前加速度計都無法識別身體活動的類型，ActivPAL對姿態進行識別在一定程度上彌補了這一不足。

澳大利亞伍倫貢大學的van Loo等[7]驗證了ActivPAL在5～12歲兒童中測量的有效性和穩定性，與直接觀察法比較的結果是在5～8歲兒童中坐/躺、站立、走路三種姿態識別的靈敏度分別為95.3%、81.5%和85.1%。另一項來自Janssen等[8]的研究同樣在4～6歲兒童中證實了這一點。

表1 常見加速度計的比較

1.2 加速度計的重要參數

加速度計的使用相對復雜，使用前需要在專門的軟件上設定采樣間隔，確定佩戴部位及佩戴天數等參數。儀器收回后要將數據下載到電腦中，篩選出有效數據，并選擇適宜的界值點或能量計算方程，計算不同強度身體活動時間或能量消耗值。由于加速度計類型眾多，目前對于參數的設定尚無統一的使用標準。

1.2.1采樣間隔

加速度計以一定時間間隔記錄加速度計數，這個時間間隔稱為采樣間隔(epoch)，通常為1秒至幾分鐘不等。設定短時間間隔采集數據后，可合并為長時間間隔，如采樣間隔設定為1秒，收集數據后可合成15秒、30秒、60秒的數據文件進行比較。

兒童身體活動具有突發性強、強度變換頻繁、持續時間短等特點，通常在非常短的時間內進行較高強度的身體活動，同時包括不同時間的低強度身體活動。因此采取較短的時間間隔可有效評估兒童身體活動水平。目前在學齡前兒童身體活動的研究中，大部分采樣間隔設置為15秒[2，9-10]；但Kim等[11]通過對Actigraph設定不同的采樣間隔(1秒、15秒、30秒、60秒)監測31名3～5歲兒童1天的身體活動，發現不同采樣間隔在加速度計數的輸出上無統計學差異，但在(MVPA)的判斷上，15秒、30秒和60秒的結果相差很大。因此提示研究者在使用較短時間間隔測量身體活動時，應考慮到重新合并為較長時間采樣間隔評估MVPA結果帶來差異的可能性。

1.2.2佩戴部位

加速度計佩戴位置通常為腕部、髖部/腰部，也可佩戴于腿部。佩戴位置的選擇十分重要，因為即使是同一種設備，如果佩戴在不同的位置，測量的結果也會有差異。

超過半數的研究采用佩戴部位是髖部。因為髖部為身體軀干，且更接近身體的重心位置，能較準確地反映身體活動情況。一般佩戴于髖部右側，基本不會影響人體活動，就舒適性而言受試者易于接受。最新的一項研究顯示，將加速度計(actigraph，AG)同時佩戴于3～6歲兒童的腕部和髖部，其測量結果差別很小，相關系數分別為0.78和0.80[12]。將腕部和髖部結合后模型數據的相關系數為0.82，提示腕、髖部同時佩戴，測量效果更好。另一項來自卡洛琳斯卡醫學院學者Elin等[13]的研究推薦采用腕部佩戴，研究選取了30名4歲兒童在腕部和髖部同時佩戴AG，分別與直接觀察法比較得出一致性系數，腕部為0.92，髖部則為0.86。因此，對佩戴部位的選擇可根據研究的實施可行性和受試者的意愿進行調整。

1.2.3佩戴天數

身體活動測量的主要目的是得到受試者日常的身體活動信息。各加速度計的待機時間一般為7～40天不等，為了能夠代表學齡前兒童的日常身體活動情況，確定佩戴天數十分重要。

Berglind等[14]的研究證實學齡前兒童在園日與周末的身體活動水平具有明顯差異，且在園日比周末活躍，考慮到在園日和周末日的差異，通常采取的佩戴時間是連續7天，即在園日5天和周末2天。也有部分研究選取3天為測量時間，包括2個工作日和1個周末日[9]。因為7天時間的有效天數篩選標準是至少包含2個在園日和1個周末日的時間，所以只要按照研究設定的時間完整佩戴3天，就可獲得有效的3天數據，滿足數據篩選需求。如果設備數量有限，可規定3天的監測時間，但需完全按照研究設定保證每日佩戴時間。若設備數量充足，也可采取3天完成測量，這樣可在一定程度上縮短項目周期，提高研究效率。綜上，在佩戴天數的選擇上，應根據研究需求及設備數量情況進行考量并設定。

2加速度計的應用現狀

近年來加速度計用于學齡前兒童身體活動研究逐漸增多，主要包括建立學齡前兒童身體活動強度的分界值及能量消耗預測模型的方法學研究、與傳統測量方法比較的研究、兒童運動監測及相關影響因素調查研究等。

2.1學齡前兒童身體活動各強度分界值和能量消耗預測模型方法學的研究

加速度計法已成為公認的判斷身體活動強度和計算活動中能量消耗值的測量方法。

身體活動分界值標準是在一定單位時間內的加速度計數(counts)的大小值來界定不同的活動強度。在表2中列舉了多種學齡前兒童身體活動強度的分界值標準，各項研究的分界值標準均有一定的差異，可能是由于受試兒童的差異及測試方案不同所導致，其中通過使用Actigraph建立的Evenson和Pate的分界值標準是目前在學齡前兒童身體活動研究中使用率最多的兩種。我國首都兒科研究所學者關宏巖及其研究團隊[15]已經應用Actigraph建立了學齡前兒童的身體活動分界值，通過ROC曲線判定的靜態、輕度和中度強度活動水平的敏感度為100.0%、85.4%和98.2%，特異度分別為100.0%、86.5%和98.0%。與直接觀察法比較的kappa系數為0.71，顯示了較好的一致性。針對目前學齡前兒童身體活動強度分界值標準的差異性，未來的研究方向需對受試人群及測試方案等方面做標準化的規范。

活動能量消耗(activity energy expenditure，AEE)的估算有兩種方式，一是通過確定代謝當量值(metabolic equivalent，METs)進行能量估算；二是以加速度計數counts值及設置的性別、年齡、身高等參數共同建立的回歸方程。在表3中包括了針對學齡前兒童建立的能量消耗預測方程。除了上述兩種方法，對氧耗量的測量同樣等同于AEE的計算[6]。在未來的研究中除建立更多能量回歸方程外，還可結合兒童膳食攝入能量，探索兒童能量攝入與輸出平衡的相關研究。

表2 學齡前兒童身體活動強度分界值匯總表

表3 學齡前兒童身體活動能量消耗模型匯總表

注:vertical為垂直方向；horizontal為水平方向；VO2：耗氧量。

2.2與其他傳統方法比較的研究

問卷法和自我報告法是傳統的身體活動評估方法，因其操作簡單，成本低而被大量使用。由于學齡前兒童無法進行完整的自我報告，所以一般采取問卷法，由照護者回憶并評估兒童的運動情況等信息。加速度計法可作為客觀標準驗證問卷的信效度。

荷蘭身體活動問卷(The Netherlands Physical Activity Questionnaire，NPAQ)是由父母報告學齡前兒童的運動情況，該問卷的得分最初用于兒童活動水平高低的判斷，但并未經過驗證。Bielemann等[23]通過與家長面對面訪談的方式完成了對兒童運動信息的收集，使用AG收集兒童連續5天的客觀數據，對問卷進行檢驗，結果顯示MVPA的問卷結果與客觀值的相關系數是0.27。Shephard(2003年)研究認為相關系數在0.3～0.5之間表示有效，該研究發現的系數僅表現為弱相關。

2.3學齡前兒童的身體活動監測及指南達標率的研究

隨著國際上學齡前兒童身體活動指南的發布，通過使用加速度計對學齡前兒童的日常身體活動進行監測，判斷其身體活動水平是否符合當前國際身體活動指南的推薦量標準已逐漸成為研究熱點。核心推薦指標為每日身體活動總時間(total physical activity，TPA)應累計達到至少3小時，其中MVPA時間應累計達到1小時尤為重要。

美國學者Beets等[2]使用Actigraph對397名3～5歲兒童進行了長達2周的身體活動監測，結果顯示兒童每日TPA時間為(371.2±81.1)分鐘/天，每日MVPA時間為(102.2±40.6)分鐘/天。整體兒童的MVPA達標率超過半數，其中男孩的每日MVPA達標率為65.6%，女孩的MVPA達標率為52.9%。與之相比，一項調查8個國家兒童身體活動情況的研究[10](包括意大利，塞浦路斯，匈牙利，愛沙尼亞，西班牙，德國，瑞典和比利時)反映了歐洲整體兒童MVPA的達標率相對較低，在調查的7 638名2～11歲兒童中，至少連續佩戴3天AG，其中2 617名3～5歲兒童有效數據顯示每日MVPA達標率均低于34.1%。更低的情況出現在澳大利亞，在伍倫汞大學的Okely及其團隊的研究[11]中對1 004名3～5歲兒童連續7日的監測數據顯示每日TPA達標率僅為5.1%。我國學齡前兒童的身體活動達標率也不容樂觀，2014年，路飛揚和張涵彬的研究表明學齡前兒童的每日MVPA達標率分別為52.9%和27.3%。

加拿大學者Colley等[24]在對459名3～4歲兒童連續7天佩戴Actical后，發現兒童每日的TPA達標率為83.8%，MVPA達標率僅為9%，5歲兒童的每日MVPA達標率為13.7%。

Ellis等[25]應用ActivPAL對澳大利亞學齡前兒童監測的結果顯示，平均每個白天坐姿、站立和身體活動的時間比例分別為48.3%、32.5%和19.1%。在園日每小時至少包含15分鐘身體活動的達標率[美國醫藥協會標準(The Institute Of Medicine，IOM)]僅為16%。

以上研究結果顯示，大部分國家的學齡前兒童身體活動時間均未能達到指南推薦標準，證明學齡前兒童身體活動不足情況已較為嚴重。為提高學齡前兒童每日身體活動時間，尤其是中等強度以上活動的時間，未來應著力于對兒童身體活動的促進和干預研究。目前我國學齡前兒童身體活動相關領域監測數據較少，但已提示學齡前兒童身體活動不足，應盡快開展大規模學齡前兒童身體活動監測工作，以便了解我國學齡前兒童身體活動現狀。

2.4身體活動相關影響因素的研究

通過借助加速度計提供的日常身體活動監測數據，可分析得到的身體活動相關影響因素主要包括兒童年齡、體脂率、父母的身體活動水平和保育環境等。

年齡是影響身體活動的重要因素，Hinkley等[26]發現學齡前兒童每增長1歲，在該年份花費在身體活動上的時間減少大約10%。在隨后的分析中又發現了保育環境對兒童身體活動也會產生影響，兒童在保育環境中的身體活動時間明顯高于保育環境外[27]。與此相似的結果在其他研究[28]中也被證實。體脂率作為判斷兒童超重肥胖的重要指標，與學齡前兒童的MVPA存在負相關關系，即體脂率越高，其MVPA時間越低。Lepp?nen等[29]和Butte等[30]的研究均得出上述結論。荷蘭格羅寧根大學的Brouwer等[31]分析得出父母的身體活動水平與兒童的身體活動水平密切相關，提示父母的高水平身體活動越多，兒童的高水平身體活動也就越多。Jago等[32]和Xu等[33]的研究得出了同樣的結論。未來的研究方向除了繼續調查身體活動的相關因素外，還應探索更多通過控制影響因素來提高兒童身體活動水平的干預研究。

3小結

近年來，加速度計越來越多地應用于學齡前兒童的身體活動研究領域。加速度計法作為目前最客觀、準確且有效測量身體活動的方法，為學齡前兒童身體活動監測提供了一個可靠的工具。在大力推廣加速度計應用的同時，應注意加速度計的使用方法。由于加速度計種類較多，目前尚缺乏統一的使用標準，因此在選擇和使用時應充分考慮研究需求、人群特性、參數設定等因素。特別是針對學齡前兒童身體活動突發性強、活動頻率快的特點，當前應致力于探索和制定加速度計使用的統一標準。同時，為解決學齡前兒童的身體活動嚴重不足這一重大公共衛生問題，未來需更多的研究來開展學齡前兒童身體活動的促進與干預措施，通過增強照護人的身體活動水平和觀念、改善幼兒園教學環境、開發身體活動課程等措施增加學齡前兒童身體活動時間，改善其身體活動不足的現狀。目前針對我國學齡前兒童身體活動領域的研究較少，因此應盡快進行大量的學齡前兒童身體活動客觀監測研究。