學齡前兒童每日步數與心肺適能的劑量-效應關系研究

方春意，周 儻，李龍凱，陸耀飛，全明輝

心肺適能（cardiorespiratory fitness）是衡量機體健康水平的重要指標。高心肺適能水平可幫助機體保持最佳的健康狀態，降低多種疾病的發病率和死亡率。如每增加1 MET心肺適能水平，可降低22%心源性猝死風險（Lauk‐kanen et al.，2010）。此外，心肺適能的積極作用還表現在提高學習能力等方面（Ortega et al.，2008）。鑒于心肺適能的重要性，美國心臟協會于2016年發表重要聲明，建議將心肺適能作為人體第五大生命體征（Ross et al.，2016）。3～5歲學齡前階段是機體心肺適能發展的關鍵時期（Ortega et al.，2015）。高心肺適能不僅能促進學齡前兒童生長發育，還對成年時期的健康水平有積極意義（Mali‐na，2001）。因此，如何有效提高學齡前兒童的心肺適能水平已成為健康促進領域的研究熱點。

體力活動（physical activity，PA）是健康生活方式的基本組成部分，可顯著提升學齡前兒童的心肺適能水平（Bürgi et al.，2011）。近年來，為保證體力活動對健康的促進效應，美國（Committee，2018）、加拿大（Tremblay et al.，2017）、澳大利亞（Okely et al.，2017）以及世界衛生組織（Organization，2019）均指出，學齡前兒童每天應至少積累180 min各種強度的體力活動，中-高強度體力活動時間（moderate to vigorous physical activity，MVPA）不低于60 min。這使得學齡前兒童日常體力活動有據可依，但對普通大眾而言存在難以理解和監測的缺點，一定程度上限制了指南的廣泛應用。

步行作為一種最普遍的體力活動形式（Ham et al.，2009），不需要復雜的運動技能，又有著易于理解和監控的優點。研究已證實MVPA與心肺適能顯著相關（Ruiz et al.，2006），每日步行數又與MVPA顯著關聯（Gabel et al.，2013）。但目前對于學齡前兒童每日步數與心肺適能間關系的研究還鮮有報道（Committee，2018）。本研究以此為切入點，旨在探討學齡前兒童每日步數與心肺適能之間的劑量-效應關系，假設兩者之間存在正向的劑量-效應關系。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

本研究數據來源于“學齡前兒童身體活動對體質及認知發展的影響研究”（Trial Registration：ChiCTR-OOC-15007439）的基線數據（Zhao et al.，2017）。開展過程中，出于實驗實際可操作性考慮，連續招募7家位于上海市楊浦區和寶山區的幼兒園參與本研究。征得幼兒園負責人同意后，由園方組織家長會進行項目宣講和受試者招募。受試者納入標準具體如下：1）幼兒園內中班的學齡前兒童，年齡為3～5歲；2）身體健康且無心血管呼吸系統疾??；3）受試者家長或法定監護人清楚地知曉實驗內容并簽署知情同意書。本實驗已通過上海體育學院倫理委員會同意（倫理審批號：2015028）。

1.2 研究方法

1.2.1 身體形態學指標測量

受試者身高、體重指標測量按照《國民體質測定標準手冊（幼兒部分）》標準進行（國家體育總局，2003），體質指數（body mass index，BMI）為體重（kg）除以身高（m）的平方，單位為kg/m2。

1.2.2 每日步數測量

受試者每日步數（daily step counts）測量采用連續7天（5個工作日和2個周末日）佩戴三軸加速度計（ActiGraph LLC，Pensacola，FL，USA）進行記錄。該工具已被廣泛應用于學齡前兒童每日步數測量（Craemer et al.，2015）。加速度計佩戴通過一個可調節式彈力帶固定于右側腰間髂嵴上部，除睡覺、洗澡及游泳等情況外，其他時間均要求佩戴。采樣間隔（epoch time）設置為1 s（Hislop et al.，2012），每日步數低于1 000步或高于30 000步視為無效數據，排除出最終統計分析（Rowe et al.，2010）。受試者加速度計數據要求7天中至少3天（2個工作日和1個周末日）數據有效才被納入最終統計分析（Penpraze et al.，2006）。

1.2.3 心肺適能指標測量

本研究采用20 m往返跑（20 m shuttle run test，20 m SRT）以及 Léger公式估算的最大攝氧量（O2max）評價受試者心肺適能（Léger et al.，1988）。20 mSRT已被證實可有效評價學齡前兒童心肺適能水平（Ortega et al.，2015）。該測試進行1次，單位為圈（laps），O2max單位為ml/kg/min。

1.2.4 統計分析方法

將受試者數據根據性別進行分組分析。對于男、女童組中符合正態分布的數據采用平均數±標準差（M±SD）進行描述，并采用獨立樣本T檢驗（independent T test）進行比較；不符合正態分布的數據采用中位數和四分位數間距進行描述，并采用曼惠特尼U檢驗（Mann-Whit‐ney U test）進行比較。每日步數以及20 mSRT數據分布在±3個標準差之外的視為離群值，排除出最終統計分析。統計分析通過如下3步依次進行。

數據分析采用基于R語言的易侕統計軟件，顯著性水平定義為P＜0.05。

2 研究結果

本研究募集到7個幼兒園的370名學齡前兒童，其中75人不符合納入標準被排除出統計分析，因此共295人納入最終統計分析，其中男童168名，女童127名（圖1）。

圖1 學齡前兒童募集流程圖Figure1.FlowChart of the PreschoolChildreninPresent Study

男、女童基本信息中，男童的身高、體重和BMI 3個指標顯著高于女童，其他指標男、女童間無明顯差異（表1）。

表1 學齡前兒童基本信息Table 1 Basic Information of Preschool Children

表2 學齡前兒童每日步數與心肺適能的劑量-效應關系分析Table 2 Dose-response Relationship between Daily Step Counts and Cardiorespiratory Fitness in Preschool Children

圖2 學齡前兒童每日步數與心肺適能的劑量-效應關系分析Figure 2.Association between Daily Step Counts and Cardiorespiratory Fitness in Preschool Children

3 討論

本研究在于探索每日步數與心肺適能之間的劑量-效應關系。研究發現，男、女童中每日步數與心肺適能之間均存在顯著的劑量-效應關系，即每日步數越多，心肺適能表現越好。在男童中，該關系存在非線性關系，每日步數超過6 000步時，O2max顯著增加，女童中尚未發現此閾值效應。

目前，體力活動對心肺適能的積極作用已被大量研究證實。橫斷面研究顯示，不論是何種體力活動，均與心肺適能水平顯著相關，每天積累高強度體力活動40 min以上的兒童心肺適能要高于18 min以下的兒童（Ruiz et al.，2006）。西班牙學者Cabanas-Sanchez等（2018）指出，不論是男童還是女童，活躍的兒童心肺適能水平顯著優于久坐兒童。2項隊列研究也一致指出體力活動對于心肺適能有顯著的促進作用（Bürgi et al.，2011；Lepp?nen et al.，2017）。既往研究更多地關注不同強度體力活動對心肺適能的影響，MVPA對心肺適能的改善發揮著更好的積極作用（Ruiz et al.，2006）。本研究關注每日步數與心肺適能之間的關系，結果與前期研究發現一致。雖然每日步數在運動實踐中更易于監測和理解，但由于其不能很好地反映運動強度（現行體力活動指南更強調運動強度的重要性），因此在實踐應用中受到不少質疑。我們認為，即使步數不能很好地反映運動強度，但也不失為一個極好的健康相關觀察指標。其原因如下：1）相較現行體力活動指南中推薦的MVPA，每日步數顯然更容易監測（計步器、手機等）以及被大眾理解，勢必更容易被推廣應用；2）研究表明（Gabel et al.，2013），每日步數與MVPA存在高度相關；本研究未呈現的結果也發現兩者高度相關（r=0.83，P＜0.001）；3）研究發現，即使是低強度運動，對心肺適能也可能存在積極的促進作用（Martinez-Gomez et al.，2010）。大型人群隊列研究發現，未來死亡風險的預測僅與每日步行數顯著關聯，與步行強度無關（Lee et al.，2019）。因此，本研究有著極重要的實踐應用價值，是對已有研究的重要補充。

學齡前兒童每日應步行多少，才能達到理想的健康促進效應，現有研究尚無統一結論。前期研究主要探討了每日步行多少才能達到現行指南中的體力活動推薦量，但不同研究間的結果差異較大。如Vale等（2015）發現，為達到每日至少180 min任意強度的體力活動須每日至少步行9 000步。Gabel等（2013）則發現，每日只需步行6 000步即可達到該要求。本研究與Gabel等（2013）一致，而Vale等（2015）和Gabel等（2013）的研究差異較大。后者差異較大可能是采用了不同的加速度計切點（MVPA切點，≥1 680 versus≥3 200 counts/min）所致（Bornstein et al.，2011）。因此，采用不同切點的研究可能不宜做橫向比較。但目前同類研究中尚無關于學齡前兒童每日推薦步數的研究，本研究至少積累6 000步每日步數是使男童O2max顯著增加的適宜步數是對此類研究的重要補充。

此外，每日步行數與心肺適能之間的劑量-效應關系在男童中存在飽和閾值效應，而在女童中卻未發現同樣的曲線關系。出現這種現象可能的原因是，女童樣本量較少，尚未達到發現步行數與心肺適能之間真正關系的要求，提示今后可通過增加女童樣本量進一步驗證兩者的關系。

步行作為日常體力活動的基本形式，對心肺適能促進作用的潛在機制可能有以下幾種：1）體力活動使線粒體產生適應性改變，即體力活動促進線粒體生物合成，數量增加，體積增大，氧化磷酸化水平提高，機體有氧代謝能力增強（Drake et al.，2016；Egan et al.，2013；Gan et al.，2018）；2）體力活動改變骨骼肌毛細血管結構和數量，提高肌肉功能，提升基礎代謝率，增加循環系統和呼吸系統相應部位血流，從而促進心肺適能（Gliemann et al.，2015）；3）體力活動可提高迷走神經對心臟的自主調節能力（Laukkanen et al.，2010；Tulppo et al.，1998），從而促進心肺適能；4）由體力活動誘導的心臟生理性重塑，使得心肌結構發生變化，功能得到強化，心臟射血分數得到提高，心臟運動適應性增強（王世強等，2017）；5）體力活動可提高機體血乳酸耐受水平，加快乳酸清除速率，從而提高機體無氧能 力（Bergman et al.，1999；San-Millán et al.，2018）；6）體力活動有助于降低肥胖人群的BMI和腰圍水平，而肥胖與機體心肺適能水平負相關，因此體力活動可有效提升心肺適能水平（Perez-Bey et al.，2019），降低肥胖，進一步提高心肺適能水平（Labayen Go?i et al.，2017），形成良性循環。綜上所述，體力活動可通過多種途徑有效地提高心肺適能水平。

本研究有如下2個優點：1）據我們所知，是首個探討學齡前兒童每日步數與心肺適能的研究；2）采用分類和線性統計2種方法探討每日步數與心肺適能之間的劑量-效應關系，研究結果證據力度更高。此外，本研究還存在如下缺點：1）為橫斷面研究，只能得出研究變量之間的相關關系，而不是因果關系；2）考慮到研究的可行性，采用方便抽樣的方法，研究結論的推廣可能會受到一定限制，后續研究中會進一步驗證。

4 結論

本研究顯示，每日步數與心肺適能之間存在顯著的正向劑量-效應關系，且為達到較好的心肺適能水平，建議男童每日步數至少積累6 000步。后續研究應進一步開展關于每日步數與心血管疾病、認知能力等健康指標之間關系的探討。