肥胖兒童青少年運動強度的多指標(biāo)聯(lián)合診斷標(biāo)準(zhǔn)及價值

劉景新，朱琳，徐佶，蘇煜，孫越鵬，廖晶，胡水，劉曉光

（1.廣州體育學(xué)院運動與健康學(xué)院，廣東廣州 510500；2.廣東體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院競技體育學(xué)院，廣東廣州 510663；3.韶關(guān)學(xué)院體育學(xué)院，廣東韶關(guān) 512005；4.大連海事大學(xué)體育工作部，遼寧大連 116026；5.廣東司法警官職業(yè)學(xué)院警體技能部，廣東廣州 510520）

肥胖是21世紀(jì)全球嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題之一，兒童青少年肥胖及其帶來的健康問題日趨嚴(yán)重，而身體活動不足是其重要誘因。世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《關(guān)于身體活動和久坐行為指南》（Guidelines on Physical Activity and Sedentary Behaviour）及我國發(fā)布的《中國兒童青少年身體活動指南》均指出，兒童青少年應(yīng)每天至少保持60 min的中高強度身體活動，每周至少保持3 d的高強度身體活動［1-3］；中高強度和高強度身體活動在降低兒童青少年肥胖發(fā)生風(fēng)險、促進(jìn)身體健康等方面的作用日益受到關(guān)注［4-6］。準(zhǔn)確的運動強度診斷標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)兒童青少年達(dá)到身體活動推薦量的前提。運動強度的診斷以代謝當(dāng)量（Metabolic Equivalent，MET）為金標(biāo)準(zhǔn)，《兒童青少年身體活動匯編》（A Youth Compendium of Physical Activities：Activity Codes and Metabolic Intensities）［7］歸納整理了兒童青少年常見運動項目的MET值，為診斷正常體質(zhì)量兒童青少年運動強度提供了參考。但是，肥胖兒童青少年的MET具有特殊性，其單位體質(zhì)量的靜息能耗低于正常體質(zhì)量兒童青少年［8-10］，因此正常體質(zhì)量兒童青少年常見運動項目的MET值可能并不適用于肥胖兒童青少年。

運動強度的準(zhǔn)確診斷方法是運動健康促進(jìn)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，國內(nèi)外一些學(xué)者［11-14］也嘗試建立了包括正常體質(zhì)量兒童青少年在內(nèi)的不同人群單一指標(biāo)（運動加速度計計數(shù)和心率）診斷運動強度的切點值，但這些切點值在診斷肥胖兒童青少年運動強度時存在較大差異。對于同一批超重/肥胖兒童青少年，不同單一指標(biāo)診斷標(biāo)準(zhǔn)確定的中高強度運動時間的誤差范圍甚至能達(dá)到4~66 min/d［15］。總之，當(dāng)前肥胖兒童青少年運動強度診斷標(biāo)準(zhǔn)的方法學(xué)研究相對滯后，不利于肥胖兒童青少年開展科學(xué)有效的運動鍛煉，也不利于運動健康促進(jìn)研究的深入。

多指標(biāo)聯(lián)合診斷是疾病診斷中的常用方法，能提高單一指標(biāo)的診斷準(zhǔn)確性，具有診斷價值高、診斷結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有較為廣泛的研究應(yīng)用［16-18］。然而，多指標(biāo)聯(lián)合診斷在運動科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對較少，其能否應(yīng)用于診斷肥胖兒童青少年運動強度及提高單一指標(biāo)的診斷準(zhǔn)確性尚不清楚。為此，本文在建立單一指標(biāo)運動強度診斷標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，嘗試將多指標(biāo)聯(lián)合診斷的方法應(yīng)用于診斷肥胖兒童青少年運動強度，為提高其診斷準(zhǔn)確性、制定肥胖兒童青少年運動策略和實施干預(yù)方案提供方法學(xué)參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募160名10~17歲肥胖兒童青少年，其中10～12歲兒童60人（男、女各30人），13～17歲青少年100人（男、女各50人）。根據(jù)性別和年齡進(jìn)行分層隨機分組，由計算機產(chǎn)生隨機序列并按照3∶1的比例隨機劃分為用于建立運動強度診斷標(biāo)準(zhǔn)的訓(xùn)練集（男、女各60人）和用于檢驗診斷方法準(zhǔn)確性的驗證集（男、女各20人）。納入標(biāo)準(zhǔn)：以身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）為篩查指標(biāo)，篩查標(biāo)準(zhǔn)參照2018年衛(wèi)健委發(fā)布實施的《學(xué)齡兒童青少年超重與肥胖篩查》；排除病理性肥胖或伴有嚴(yán)重并發(fā)癥的兒童青少年。

1.2 測試方法

1.2.1 基本信息

采集受試者的性別、年齡、身高、體質(zhì)量、BMI等基本信息。

1.2.2 能量消耗測試

選擇德國產(chǎn)Cortex Meta Max 3B便攜式氣體代謝分析儀進(jìn)行靜息測試和運動測試，獲取靜息耗氧量（mL·kg-1·min-1）和運動耗氧量（mL·kg-1·min-1）。測試中同步佩戴Polar心率帶記錄安靜心率和運動負(fù)荷心率；同步佩戴ActiGraph GT3X+三軸運動加速度計（ActiGraph，Pensacola，F(xiàn)L，USA）記錄綜合矢量計數(shù)（Vector Mangiture，VM3）。GT3X+的 采 樣 頻 率 為30 Hz，采樣間隔60 s，佩戴位置為右側(cè)腋窩中線與髂脊水平線的交界處。

①靜息測試：要求受試者在測試前24 h內(nèi)禁止飲用咖啡或酒精類飲品。測試在餐后2 h，室溫25℃~27℃的環(huán)境下進(jìn)行，受試者靜坐15 min后佩戴測試儀器［8-9，19］，隨后靜臥15 min。②運動測試：選擇3 km·h-1（散步）、4 km·h-1（慢走）、5 km·h-1（正常步行）、6 km·h-1（慢跑）、7 km·h-1（慢跑）的自由走、跑，每個速度持續(xù)5 min，中間無間隔。測試場地為10 m×10 m的方形運動場地，每5 m放置1個標(biāo)志物，受試者在標(biāo)志物外側(cè)行走或跑步；以提示音控制速度，提示音每隔6 s（3 km·h-1）、4.5 s（4 km·h-1）、3.6 s（5 km·h-1）、3 s（6 km·h-1）、2.57 s（7 km·h-1）出現(xiàn)1次，當(dāng)提示音出現(xiàn)時要求受試者到達(dá)下一個標(biāo)志物，測試過程由研究人員領(lǐng)走或領(lǐng)跑。在測試過程中，受試者達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)之一時終止測試：心率達(dá)到90%最大心率；呼吸商>1.10；主觀疲勞感覺>17。

1.3 數(shù)據(jù)指標(biāo)提取方法

選用靜息測試11~15min的靜息耗氧量（mL·kg-1·min-1）、安靜心率（次·min-1）和每個運動測試4~5 min的運動耗氧量（mL·kg-1·min-1）、負(fù)荷心率（次·min-1）、VM3（counts·min-1）為最終數(shù)據(jù)。運動強度MET值=運動耗氧量/靜息耗氧量；心率儲備（Heart Rate Reserve）百分比（%HRR）=（負(fù)荷心率-安靜心率）/（最大心率-安靜心率）×100%，最大心率=220-年齡。

1.4 統(tǒng)計分析

計量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，計量資料組間比較采用獨立樣本t檢驗。①建立多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型，并根據(jù)模型計算多指標(biāo)聯(lián)合診斷運動強度的預(yù)測概率值。將運動強度劃分為低強度（METs＜3）、中等強度（3≤METs＜6）和高強度（METs≥6）［2］；以運動強度為因變量，%HRR、VM3、年齡、性別、身高、體質(zhì)量和BMI為自變量，采用逐步回歸篩選自變量，Logistic回歸建立多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型。以方差膨脹因子（Variance Inflation Factor，VIF）檢驗?zāi)Ｐ偷淖宰兞恐g的多重共線性，VIF越大表明共線性越嚴(yán)重，0

2 研究結(jié)果

2.1 基本情況

訓(xùn)練集男、女各60人，驗證集男、女各20人，訓(xùn)練集和驗證集受試者基線值未見顯著差異（P>0.05），基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic information of the participants

2.2 靜息及運動測試的指標(biāo)特征

肥胖兒童青少年靜息耗氧量約為4.35 mL·kg-1·min-1，高于正常成年人3.50 mL·kg-1·min-1的約定值，而低于正常體質(zhì)量兒童青少年（約6.28~6.48 mL·kg-1·min-1）［21］。運動耗氧量隨自由走、跑速度的增加而呈增加的趨勢，3 km·h-1運動屬于低強度運動，4 km·h-1和5 km·h-1運動屬于中等強度運動，6 km·h-1和7 km·h-1運動屬于高強度運動。靜息及運動測試結(jié)果如表2所示。

表2 靜息及運動測試結(jié)果Table 2 The main outcomes of resting and activity measurements

2.3 構(gòu)建運動強度的多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型

以Logistic回歸分別構(gòu)建3METs和6METs的多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型，用于計算多指標(biāo)聯(lián)合預(yù)測概率值。結(jié)果顯示，逐步回歸共篩選出VM3、%HRR、年齡等3個自變量。以運動強度是否＜3METs，將運動強度劃分為二分類變量（＜3METs賦值為1，≥3METs賦值為0），構(gòu)建的3METs多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型Logist（P3METs）=10.666-9.760×10-2×%HRR-1.035×10-3×VM3-0.290×年齡。以運動強度是否≥6METs，將運動強度劃分為二分類變量（≥6METs賦值為1，＜6METs賦值為0），構(gòu)建的6METs多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型Logist（P6METs）=-15.337+0.127×%HRR+6.316×10-4×VM3+0.176×年齡（表3）。VM3、%HRR、年齡與運動強度的關(guān)系顯著（P<0.05），所有自變量的VIF值均小于10，表明自變量間不存在多重共線性，模型均成立。

表3 運動強度多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型Table 3 Multi-index joint diagnosis model for exercise intensity

2.4 單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合評價運動強度的診斷切點

分別以單一指標(biāo)VM3、%HRR和多指標(biāo)聯(lián)合預(yù)測概率值（P3METs和P6METs）繪制3METs和6METs的ROC曲線。3METs的ROC曲線結(jié)果顯示，P3METs的AUC為0.891，診斷價值較高（表4），顯著高于VM3（ΔAUC=0.075，P=0.000 1）和%HRR（ΔAUC=0.056，P=0.000 9）（表5、圖1）；VM3和%HRR的AUC分別是0.816和0.834，診斷價值中等。由于3METs是中高強度運動的切點，P3METs的AUC高于單一指標(biāo)%HRR和VM3的AUC，表明多指標(biāo)聯(lián)合診斷中高強度運動的診斷價值高于單一指標(biāo)。6METs的ROC曲線結(jié)果顯示，P6METs的AUC為0.956，診斷價值極高（表4），顯著高于%HRR（ΔAUC=0.019，P=0.005 4）和VM3（ΔAUC=0.066，P<0.000 1）；%HRR和VM3具有較高的診斷價值，AUC分別是0.890、0.937（圖2、表5）。

表4 運動強度的單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合診斷的適宜切點Table 4 The cut-off points of single and multi-index joint diagnosis of exercise intensity

表5 單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合的診斷價值比較Table 5 Comparison of diagnostic value of the single index and multi-index joint

圖1 3METs的單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合ROC曲線Figure 1 The ROC chart of the single index and multiindex joint diagnosis of 3METs

最大約登指數(shù)確定的%HRR、VM3、P3METs的3METs適宜切點為41.66%、3 687 counts·min-1和0.315（圖1、表4）；%HRR、VM3、P6METs的6METs適宜切點為63.05%、5 247 counts·min-1、0.248（圖2、表4）。

圖2 6METs的單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合ROC曲線Figure 2 The ROC chart of the single index and multiindex joint diagnosis of 6METs

2.5 單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合診斷運動強度的準(zhǔn)確性與一致性檢驗

準(zhǔn)確率是診斷正確的樣本個數(shù)與總體個數(shù)的比值，代表診斷方法的整體準(zhǔn)確性［22］。本文結(jié)果顯示，多指標(biāo)聯(lián)合的預(yù)測準(zhǔn)確率比VM3高約15%，比%HRR高約5%，表明多指標(biāo)聯(lián)合診斷運動強度的總體準(zhǔn)確性高于單一指標(biāo)（表6）。

精確率是指正確診斷為陽性的樣本個數(shù)占全部預(yù)測為陽性的樣本個數(shù)的比例，代表診斷方法能否查準(zhǔn)；召回率是指正確診斷為陽性的樣本個數(shù)占實際為陽性的樣本個數(shù)的比例，代表診斷方法能否查全［22］。本文研究結(jié)果（表6）顯示：3種方法診斷中高強度運動的精確率均在90%以上；多指標(biāo)聯(lián)合召回率最高，達(dá)到85.38%，提示對于中高強度運動，單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合均能查準(zhǔn)，但多指標(biāo)聯(lián)合診斷更全。3種方法診斷高強度運動的召回率均在90%以上；多指標(biāo)聯(lián)合的精確率最高，達(dá)到86.27%，表明對于高強度運動，單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合均能查全，但多指標(biāo)聯(lián)合診斷更準(zhǔn)確。一致性檢驗結(jié)果也表明，多指標(biāo)聯(lián)合的診斷結(jié)果與實測結(jié)果的一致性更高（加權(quán)Kappa=0.686）。

表6 不同方法診斷準(zhǔn)確性與一致性檢驗結(jié)果Table 6 Diagnostic accuracy and consistency of the test in the single index and multi-index joint diagnosis

3 討論與展望

3.1 討論

運動促進(jìn)健康依賴于一定的運動強度，中高強度運動特別是高強度運動對肥胖兒童青少年健康促進(jìn)的有益作用已被證實［23-24］。生理指標(biāo)（心率）以及運動信號（VM3）常用于監(jiān)控日常身體活動［25-27］，在一定范圍內(nèi)與機體的耗氧量存在高度相關(guān)，因此，心率和運動加速度計計數(shù)可用于評估運動強度［28］。在實際應(yīng)用中，為排除個體間安靜心率不同的影響，通常采用心率變化率、最大心率百分比和%HRR等指標(biāo)評估運動強度［29］。朱琳等［30］采集10~14歲正常體質(zhì)量兒童青少年實驗室跑臺走、跑運動測試的心率變化率，并通過ROC曲線確定了正常體質(zhì)量兒童青少年中等強度和高強度運動的診斷切點，具有較高的診斷價值（AUC均在0.85以上）。運動加速度計是身體活動研究領(lǐng)域重要的監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備可記錄運動過程中的運動加速度，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，運動加速度計已從最初的單軸運動加速度計發(fā)展成三軸運動加速度計［31］。運動加速度計采集的原始加速度值不能直接評價運動強度，通常將原始運動加速度值轉(zhuǎn)化為運動加速度計數(shù)點。學(xué)者早期建立的運動強度診斷切點主要以單軸（垂直軸）運動加速度計計數(shù)點為主；與垂直軸相比，VM3是綜合垂直軸、額狀軸、矢狀軸的計數(shù)值，能較為真實地反映人體日常生活狀態(tài)下的身體活動情況，因此，VM3在身體活動研究中應(yīng)用更為廣泛［27，31-32］。

本文研究發(fā)現(xiàn)，生理指標(biāo)%HRR和運動信號VM3對于診斷肥胖兒童青少年的運動強度具有較高的診斷價值，并且%HRR、年齡和VM3能夠用于構(gòu)建肥胖兒童青少年運動強度的多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型。通過比較單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合的診斷價值發(fā)現(xiàn)，單一指標(biāo)VM3和%HRR診斷3METs的切點的AUC均未超過0.85（%HRR：0.834，VM3：0.816），診斷價值為中等，而多指標(biāo)聯(lián)合診斷3METs的切點的AUC為0.891，較為顯著地提高了診斷價值。由于3METs的切點是中高強度的診斷切點，而中高強度又是目前運動健康促進(jìn)領(lǐng)域重點關(guān)注的運動強度，因此，多指標(biāo)聯(lián)合能夠提高中高強度的診斷價值，且具有較高的應(yīng)用價值。

為進(jìn)一步確定多指標(biāo)聯(lián)合是否能夠準(zhǔn)確診斷肥胖兒童青少年的運動強度及其應(yīng)用價值，采用驗證集數(shù)據(jù)檢驗其準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)VM3和%HRR診斷中高強度的整體準(zhǔn)確率分別為64.81%和74.69%。多指標(biāo)聯(lián)合診斷的整體準(zhǔn)確率比VM3高15%，比%HRR高5%，表明多指標(biāo)聯(lián)合診斷的方法能提高單一指標(biāo)診斷運動強度的準(zhǔn)確性。與本文研究結(jié)果類似，Chowdhury等［33］也發(fā)現(xiàn)，心率結(jié)合其他生理指標(biāo)建立的多指標(biāo)聯(lián)合機器學(xué)習(xí)模型能夠提高運動強度的診斷準(zhǔn)確性。此外，從實際應(yīng)用的角度看，評價運動強度診斷方法的應(yīng)用價值時，還應(yīng)充分考慮對不同運動強度能否查準(zhǔn)和查全。從確保肥胖兒童青少年達(dá)到“每天60 min中高強度運動、每周至少3 d高強度運動”的身體活動推薦量的角度看，本文對多指標(biāo)聯(lián)合診斷中高強度運動和高強度運動的精確率和召回率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)單一指標(biāo)和多指標(biāo)聯(lián)合診斷中高強度運動的精確率均在90%以上，多指標(biāo)聯(lián)合的召回率比%HRR高約8%；多指標(biāo)聯(lián)合診斷高強度運動的精確率和召回率均高于單一指標(biāo)，表明多指標(biāo)聯(lián)合更能夠準(zhǔn)確、全面地診斷肥胖兒童青少年的運動強度，從而能更有效地確保肥胖兒童青少年身體活動的安全性和有效性。

3.2 展望

本文構(gòu)建了生理指標(biāo)%HRR、運動信號VM3診斷運動強度的適宜切點，為肥胖兒童青少年運動強度的多指標(biāo)聯(lián)合診斷提供了相對準(zhǔn)確、便捷的方法學(xué)參考；以%HRR、VM3和年齡構(gòu)建了運動強度多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型，并證實該模型獲得的多指標(biāo)聯(lián)合預(yù)測概率值在肥胖兒童青少年運動強度診斷中的可行性以及應(yīng)用價值。多指標(biāo)聯(lián)合診斷運動強度的準(zhǔn)確率接近80%，未來可通過豐富指標(biāo)多樣性，增加如步頻、主觀疲勞、皮膚電反應(yīng)、呼吸等指標(biāo)，進(jìn)一步提升診斷的準(zhǔn)確性［34］。最新研究［35-36］發(fā)現(xiàn)，以運動加速度計的原始加速度值構(gòu)建運動強度診斷模型的準(zhǔn)確性較高，未來可納入原始加速度值，并結(jié)合其他復(fù)雜算法，進(jìn)一步提高診斷肥胖兒童青少年運動強度的準(zhǔn)確性。此外，未來可進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)網(wǎng)頁計算器、手機App等，拓展多指標(biāo)聯(lián)合診斷運動強度的應(yīng)用途徑。

4 結(jié)論

生理和運動信號組成的多指標(biāo)聯(lián)合診斷模型可作為肥胖兒童青少年運動強度的診斷標(biāo)準(zhǔn)，多指標(biāo)聯(lián)合能提高運動強度的診斷準(zhǔn)確性。單一指標(biāo)診斷運動強度的標(biāo)準(zhǔn)：低強度為%HRR＜41.66%，VM3＜3 687 counts·min-1；中等強度為41.66%≤%HRR＜63.05%，3 687 counts·min-1≤VM3＜5 247 counts·min-1；高強度為%HRR≥63.05%，VM3≥5 247 counts·min-1。多指標(biāo)聯(lián)合診斷運動強度的標(biāo)準(zhǔn)：低強度為P3METs＞0.315，中等強度為P3METs≤0.315且P6METs＜0.248，高強度為P6METs≥0.248。

作者貢獻(xiàn)聲明：

劉景新：設(shè)計論文框架，分析數(shù)據(jù)，撰寫論文；

朱琳：提出論文主題，確定論文框架，修改論文；

徐佶：調(diào)研分析文獻(xiàn)，協(xié)助設(shè)計論文框架，修改論文；

蘇煜：協(xié)助招募受試者，采集數(shù)據(jù)，修改論文；

孫越鵬：協(xié)助招募受試者，采集數(shù)據(jù)；

廖晶：協(xié)助采集數(shù)據(jù)，校對論文；

胡水：分析文獻(xiàn)，修改論文；

劉曉光：分析文獻(xiàn)，修改論文。