基于K-means聚類分析的嬰幼兒睡眠模式及與母乳喂養關系的研究

梁雅麗 馬潔 張裕曉 張敏 何海燕 王守桂 黃月娥

（1.皖南醫學院公共衛生學院，安徽蕪湖 241002；2.蕪湖市婦幼保健計劃生育服務中心（蕪湖市婦幼保健院），安徽蕪湖 241000）

睡眠與嬰幼兒身體狀況、認知、行為和情緒的發展關系密切［1-2］。影響嬰幼兒睡眠的因素較多，已有研究提示喂養方式與嬰幼兒睡眠相關，但結論尚存在爭議。Huang 等［3］研究發現，配方奶粉喂養的嬰兒比母乳喂養者睡眠時間長，但也有研究發現，盡管母乳喂養的嬰兒夜醒次數較多［4］，但睡眠時間并不減少［5］。還有研究提示出生6 個月后2 種喂養方式嬰兒的夜醒次數無明顯差別［6］。

目前關于嬰幼兒睡眠的研究，主要集中在對孤立的睡眠特征進行探討，并不能反映睡眠的多維性，有必要采取一種更全面的探討模式，將這些孤立的特征綜合分析。同時嬰幼兒睡眠需求存在高度個體差異，對于嬰幼兒睡眠的研究還應關注此特點。K-means聚類分析是一種無監督的機器學習算法，可綜合研究對象的多個特征（定量變量）進行相似性分析，即可實現研究對象多特征整體分析，也可實現在變異大的群體內劃分出性質更接近的亞群。在臨床上對成人睡眠分期的判定，K-means聚類分析已成為睡眠狀態診斷的有效輔助方法［7］。在青年運動員睡眠亞類的識別中，K-means聚類分析有助于教練全面發現運動員的睡眠問題，制定針對性的干預策略［8］。但目前該方法尚未應用到嬰幼兒睡眠領域，為此，本研究通過K-means聚類分析識別嬰幼兒睡眠的典型類別及各類特征，為后期開展契合嬰幼兒睡眠特點的促進措施提供依據。同時探討睡眠類別與喂養情況的關系，由于聚類內研究對象的同質性更高，分析結果更為可靠，為深入闡明母乳喂養與嬰幼兒睡眠的關系提供證據。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選擇2021 年4～6 月在蕪湖市婦幼保健院、無為市社區衛生服務中心兒童保健門診進行常規體檢的7～35 月齡嬰幼兒作為研究對象。納入標準：（1）足月單胎兒；（2）自然受孕；（3）Apgar 評分＞7分。排除標準：體格檢查異常者。共計1 148名嬰幼兒納入最終分析。本研究已征得家長知情同意，并通過了皖南醫學院倫理委員會批準。

1.2 資料收集

采用自制問卷收集兒童的年齡、性別、出生方式、室外活動時間、每日看手機或電視的時間、母親文化程度、母親生育年齡、家庭類型及家庭人均月收入。

1.3 簡明嬰兒睡眠問卷

簡明嬰兒睡眠問卷（Brief Infant Sleep Questionnaire，BISQ）廣泛應用于0～3 歲嬰幼兒睡眠情況的調查［9］。依據監護人對嬰幼兒近2周睡眠情況的描述，記錄嬰幼兒的睡床情況、就寢時間、入睡潛伏期、睡眠時間、夜醒次數、夜醒時間等內容。依據我國《0 歲～5 歲兒童睡眠衛生指南》［10］，通過評價就寢時間（不晚于21∶00）、入睡潛伏期（≤20 min）、睡眠時間（不超出對應年齡段的推薦睡眠時間）等指標，判斷嬰幼兒的睡眠模式是否存在異常。各年齡段的推薦睡眠時間：4～11 月 齡 者 為12～16 h；12～35 月 齡 者 為11～14 h［10］。

1.4 喂養情況問卷

參照張紅等［11］及葉奧星等［12］的調查條目設計問卷，包括2部分：（1）生后6個月內的喂養方式：純母乳喂養（僅以母乳作為食物）、混合喂養（指當母乳不足時，輔以奶粉或其他代乳品補充喂養）和人工喂養（僅喂養嬰兒奶粉或其他代乳品）。（2）母乳喂養時間：根據生后6 個月內母乳喂養的累計時間計算，具體計算方法及賦值如下：純母乳喂養賦值為1，人工喂養賦值為0。對于混合喂養者，取各組的組中值賦值，即高比例母乳喂養（母乳≥80%）賦值為0.90，中比例母乳喂養（母乳占20%～79%）賦值為0.50，低比例母乳喂養（母乳＜20%）賦值為0.10。如某嬰兒1～3 月齡為純母乳喂養，4～5 月齡為低比例母乳的混合喂養，6月齡為人工喂養，最后此嬰兒的母乳喂養時間為3×1+2×0.10+1×0=3.2個月。

1.5 質量控制

根據預調查的結果及時調整問卷，確定最終調查方案。正式調查前，對相關的兒童保健醫生及護士進行統一培訓。調查表采用EpiData 軟件雙人錄入。

1.6 統計學分析

使用SPSS 23.0 及R 3.6.1 統計軟件進行數據分析及繪圖。定量資料服從正態分布時采用均數±標準差（±s）描述，多組間比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用SNK-q法；定量資料不服從正態分布時采用中位數和四分位數間距［M（IQR）］描述，多組間比較采用Kruskal-WallisH檢驗，組間兩兩比較采用Bonferroni 法。定性資料采用例數和構成比（%）描述，多組比較采用χ2檢驗，組間兩兩比較采用Bonferroni 法。K-means 聚類算法用于識別嬰幼兒的睡眠模式。K-means聚類算法具有簡單高效、易于實現、對大數據的聚類效果明顯等優點，是較為常用的聚類分析方法。該算法的基本思想為：（1）把所有對象隨機分配到k個非空聚類中，計算每類的初始聚類中心；（2）計算每個對象到這k個聚類中心的歐式距離，根據距離最小原則，將對象重新分配到新的聚類中；（3）計算新分配聚類的聚類中心；（4）循環步驟（2）和步驟（3），直至算法收斂。多因素分析采用無序多分類logistic 回歸分析模型。Bonferroni 法以P＜0.0167 為差異有統計學意義，余統計學檢驗以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 嬰幼兒睡眠模式聚類結果

選取BISQ中的全部定量指標（白天睡眠時間、夜間睡眠時間、全天睡眠時間、入睡潛伏期、夜醒次數、夜醒時間和夜間就寢時間），將該7 個指標標準化后做肘形圖以確定K-means聚類分析的最佳聚類數（圖1A），最終確定為3 個聚類。Kmeans 聚類分析發現夜醒次數對聚類無效應（F=1.733，P=0.177），剔除該變量，最終的聚類中心結果見表1、圖1B。聚類1 有191 名（16.64%）研究對象，表現為就寢時間早、睡眠時間長、夜醒時間較長；聚類2 有598 名（52.09%），表現為入睡潛伏期短、睡眠時間中等、夜醒時間最短；聚類3 有359 名（31.27%），表現為就寢時間晚、入睡潛伏期長、睡眠時間短、夜醒時間較短。

表1 嬰幼兒睡眠K-means聚類分析的聚類中心

圖1 嬰幼兒睡眠聚類分析

依據《0 歲～5 歲兒童睡眠衛生指南》［10］的標準，判定聚類1和2為正常睡眠模式，占總調查對象的68.73%（789/1 148）。聚類3 為多種睡眠問題的集合，主要包括入睡潛伏期＞20 min，就寢時間晚于21∶00，總睡眠時間不足11 h，此聚類判定為睡眠障礙模式。

2.2 不同睡眠聚類的嬰幼兒一般特征分析

聚類1 的嬰幼兒年齡最小，其次為聚類2，聚類3的年齡最大，差異有統計學意義（P＜0.0167）。聚類1 的嬰幼兒同床睡眠情況比例低于聚類3（P＜0.0167）。聚類1中5.2%的嬰幼兒看電視或手機時間≥1 h/d，遠低于聚類2 的15.6%及聚類3 的22.6%（P＜0.0167）。其余變量均未發現在不同睡眠模式中分布差異有統計學意義（P＞0.05）。見表2。

表2 不同睡眠聚類的嬰幼兒一般特征分析

2.3 不同喂養方式及不同母乳喂養時間嬰幼兒的睡眠聚類的差異分析

聚類1 中僅有3.7%的嬰幼兒是人工喂養，低于聚類2 的10.2%和聚類3 的10.3%，差異有統計學意義（P＜0.0167）。母乳喂養時間并未發現與嬰幼兒的睡眠模式有關（P=0.097）。見表3。

表3 不同喂養方式嬰幼兒的睡眠聚類差異分析 ［n（%）］

2.4 喂養方式及母乳喂養時間與嬰幼兒睡眠模式的相關分析

多因素logistic 回歸分析中，睡眠模式為因變量（以模式1，即聚類1為參照），喂養方式及母乳喂養時間為自變量，表2中單因素分析有意義的變量（年齡、睡床情況及看電視或手機時間）作為控制變量。結果顯示，母乳喂養和混合喂養的嬰幼兒相較于人工喂養的嬰幼兒，更傾向于就寢時間早、睡眠時間長的睡眠模式。與人工喂養相比，純母乳喂養的嬰幼兒可降低69%睡眠障礙模式（聚類3）的發生風險和75%睡眠模式2（聚類2）的發生風險，混合喂養者可降低60%睡眠模式2的發生風險（表4）。進一步分析生后6個月內母乳喂養時間與嬰幼兒睡眠模式的關系發現，母乳喂養時間與模式1或模式2此類正常睡眠模式的發生無關，但母乳喂養時間達到4～6個月的嬰幼兒，相較于母乳喂養1～3個月者，可降低40%出現睡眠障礙模式的發生風險（表5）。

表4 喂養方式對嬰幼兒睡眠模式影響的logistic回歸分析

表5 母乳喂養時間對嬰幼兒睡眠模式影響的logistic回歸分析

3 討論

本研究發現7～35 月齡的嬰幼兒睡眠狀況可聚為3個典型的類別，聚類1為就寢時間早、睡眠時間長；聚類2為入睡潛伏期短、睡眠時間中等；聚類3為就寢時間晚、入睡潛伏期延長、睡眠時間不足。聚類3占總調查對象的31.27%，是多種睡眠問題的集合。

聚類3的嬰幼兒年齡最大，睡眠時間最少，雖然隨著兒童年齡的增長，睡眠需求量呈下降趨勢，但該聚類的嬰幼兒24 h 總睡眠比此年齡段的推薦睡眠少0.11 h，睡眠不足與肥胖、情緒調節能力差、生長異常和較高的傷害風險等多種結局相關［13］。其次，聚類3 的嬰幼兒與父母同床睡眠比例最高，父母的入睡時間晚、睡眠不規律及入睡后使用電子產品等都可能會影響兒童的睡眠［14］，后期需要針對父母就寢習慣對兒童睡眠模式的影響做進一步研究。另外，嬰幼兒的此睡眠模式可能與視屏行為相關，研究顯示視屏時間≥1 h/d兒童的就寢時間更晚，入睡潛伏期更長，夜間睡眠時間更短［15］。本研究也發現聚類3 的嬰幼兒看電視或手機的時間≥1 h/d者占比最高。這可能是由于看電視或手機使兒童的自主興奮性增高，同時屏幕的藍光抑制褪黑素的分泌，改變晝夜節律和覺醒，進而影響兒童的睡眠時間和睡眠質量。簡言之，嬰幼兒的年齡、睡床方式及視屏時間可能是決定其睡眠模式的重要個體因素。

本研究進一步分析喂養方式和母乳喂養時間與兒童睡眠模式的關系，結果顯示生后6個月內的純母乳喂養率為12.89%，略高于前期馬鞍山市的調查結果［12］，但仍低于全國最新調查的生后6 個月內嬰兒純母乳喂養率［16］，這種差異可能與調查方法有關。喂養方式獨立于其他社會和人口學特征，與嬰幼兒的睡眠模式相關。純母乳喂養的嬰幼兒相較于人工喂養的嬰幼兒，更傾向表現為就寢時間早、長睡眠的模式（模式1），這與新加坡最新的研究結果相一致［17］，且純母乳喂養明顯降低睡眠障礙模式的發生風險，并且母乳喂養時間越長其保護效應越明顯。目前，研究提示母乳喂養可促進嬰幼兒睡眠，甚至有研究發現在生后6個月內的純母乳喂養時間與兒童期的睡眠狀況仍有關聯。這可能與純母乳喂養促進嬰兒睡眠節律的建立相關，純母乳喂養的嬰兒在生后第2～3周開始獲得晝夜節律，而混合喂養的嬰兒直至生后第6周晝夜節律還未顯現［18］。這可能由于母乳的營養成分存在晝夜變化，通過這種改變將一天中的時間信息傳遞給嬰兒，對嬰幼兒的發育起到了生物鐘的作用［19］。已有研究證明母乳中皮質醇和褪黑素具有晝夜變化，白天母乳中皮質醇水平較高，有助于提高嬰兒的警覺性、喂養行為和分解代謝；夜間母乳中褪黑素水平較高，能夠促進嬰兒的睡眠［20］。母乳中營養成分的這種變化是配方奶粉無法實現的。其次母乳喂養可通過增加母親與嬰兒之間的皮膚與皮膚接觸，有利于嬰兒形成更有序的睡眠-覺醒周期及更長時間的夜間睡眠［21-22］。

綜上，本研究通過K-means聚類對嬰幼兒睡眠的多個維度進行綜合分析，豐富了研究嬰幼兒睡眠的方法。本研究發現嬰幼兒表現出3類典型的睡眠模式，其中以就寢時間晚、入睡潛伏期延長、睡眠時間不足為主要睡眠模式特征的嬰幼兒應作為未來干預的重點人群，此類嬰幼兒可能同時存在多種睡眠問題，需進行多方位綜合干預，如：與父母分床睡眠；固定就寢時間，且不晚于21∶00；睡前活動基本保持一致，時間不宜超過20 min；入睡前盡量不看手機或電視等電子產品。其次，本研究還發現母乳喂養可降低嬰幼兒睡眠障礙模式的發生，但目前母乳喂養率較低，未來還有待通過建立多方面支持體系，進一步提升母乳喂養水平，促進兒童身心健康發展。由于本研究為橫斷面調查，僅采集了嬰幼兒睡眠的時點數據，后期還需開展前瞻性研究以發現這種睡眠模式的動態變化，進一步闡明母乳喂養促進嬰幼兒睡眠的內在機制。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。