加速度计以不同采样间隔测量儿童青少年日常体力活动时间的一致性研究

王超 陈佩杰 庄洁 阳国诚 陈荣

1上海体育学院运动科学学院（上海200438）2首都体育学院运动科学与健康学院3华东交通大学体育学院

加速度计能较准确测量自由生活状态下的体力活动总量、强度和持续时间，且小巧轻便、佩戴舒适性高，在儿童青少年体力活动研究中被广泛应用［1］。它通过记录特定采样间隔 （epoch）内的加速度计数（counts），依据已建立的划分体力活动强度的界值（cut-points），将所对应的采样间隔内的体力活动划分为低强度体力活动 （Light Physical Activity，LPA）、中等强度体力活动（Moderate Physical Activity，MPA）和高强度体力活动 （Vigorous Physical Activity，VPA）等。现有儿童青少年体力活动研究采用的采样间隔从15秒到60秒不等［2-5］，有研究［6，7］指出，采用不同采样间隔会影响测量的体力活动水平。Vale等［8］针对学龄前儿童开展的研究显示，采用5秒采样间隔所测量的中等及高强度体力活动（Moderate-to-Vigorous Physical Activity，MVPA）时间比60秒采样间隔多62%。但目前较少有研究探讨加速度计不同采样间隔测量儿童青少年日常体力活动时间的一致性。因此，本研究通过比较采用1秒、5秒、15秒、30秒、60秒五种加速度计采样间隔测量儿童青少年日常体力活动时间的一致性，探讨不同采样间隔的研究结果是否可比，并确定适宜儿童青少年体力活动研究的采样间隔。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取江西省赣州市兴国县一所小学、一所中学（包括初中、高中）的296名9～18岁在校生进行本研究。研究对象身体健康、发育健全，活动正常，能够正确理解测试要求并配合完成测试。本课题获得上海体育学院道德伦理委员会支持，按照自愿参加原则，测试前向小学4～6年级、初中1～3年级、高中1～2年级所有在校生及其监护人发放知情同意书，详细介绍本研究目的、过程、获益、可能带来的危害及不便，最终296名在校生的监护人签署了自愿参加测试的同意书。

1.2 测试内容

1.2.1 人口统计学指标

人口统计学指标包括性别、年龄。依据研究对象完成体力活动测试的时间及其出生日期计算年龄，对于测试完成当天已过生日者（含当天），年龄=测试年－出生年；测试完成当天未过生日者，年龄 =测试年－出生年－1。

1.2.2 身高、体重和身高体重指数（BMI）

采用校正后的电子身高体重计测量身高、体重。身高以厘米（cm）为单位，体重以千克（kg）为单位，均精确到小数点后两位。采用公式体重（kg）/身高平方（m2）计算BMI。

1.2.3 不同强度体力活动时间

采用ActiGraph GT3X+型加速度计（ActiGraph，Ft.Walton Beach，USA）测量不同强度体力活动时间。该型加速度计体积小（4.6 cm×3.3 cm×1.5 cm），重量轻（19 g），方便携带，不影响研究对象的日常活动，且同厂生产的上一代产品（ActiGraph 7164）已经过信效度检验［9］，被证实能够捕捉儿童青少年复杂多变的体力活动，是目前广泛应用于儿童青少年体力活动评价的一种传感器。

测试于2012年3月进行。测试前将已完成初始化的加速度计发放给研究对象，由研究人员现场指导，用一个有弹性的带子戴在右髋部［7］。研究对象被告知需连续佩戴仪器7天 （包括5个上学测试日和2个周末测试日），除洗澡、游泳、睡觉外不能取下，可进行正常学校活动和日常生活［1］。加速度计从发放的第二天凌晨开始记录数据，于第八天由研究人员收回。通过加速度计自身软件ActiLife Version 5.5.5下载原始数据。

原始数据下载后首先对其进行有效性筛选：一个有效的研究数据应至少包括3个有效的上学测试日和1个有效的周末测试日；一个有效的上学测试日或周末测试日指测试当天至少有10个有效佩戴小时；而有效的佩戴小时指该小时内无连续20分钟及以上的加速度计零计数［10，11］。筛选后的有效原始数据应用ActiLife Version 5.5.5软件整合为1秒、5秒、15秒、30秒、60秒五种采样间隔的加速度计数。设定LPA、MPA、VPA的MET界值分别是2METs、3METs、6METs［12］，依据Freedson等用ActiGraph加速度计发展的儿童青少年能量方程［13］计算不同年龄研究对象不同强度体力活动的加速度计数界值。依据此界值，应用ActiLife Version 5.5.5软件分别将1秒、5秒、15秒、30秒、60秒五种采样间隔的加速度计数转化为相应的平均每天LPA、MPA、VPA时间，并计算平均每天MVPA时间（MVPA时间=MPA时间+VPA时间）。

1.2.4 对达到体力活动推荐量的判定

按照世界卫生组织（WHO）推荐的儿童青少年每天应进行不少于60分钟MVPA的标准［14］，依据加速度计测量的MVPA时间，确定研究对象是否达到体力活动推荐量。

1.3 统计学分析

采用SPSS18.0 for Windows统计软件包（SPSS Inc.，Chicago，IL）对测试数据进行统计分析。采用均数）和标准差（s）进行研究对象的描述性统计，显著性水平定为P<0.05。采用单因素重复测量方差分析 （one-way repeated measures analysis of variance，RMANOVA）比较不同采样间隔测量的平均每天LPA、MPA、VPA、MVPA时间的差异，采用Bonferroni事后检验方法（Bonferroni post hoc）进行方差分析后的多重比较，按照Cohen标准［15，16］，确定效应量η2达到0.16、0.06、0.01时，分别属于强效应、中等效应、弱效应。Bland-Altman方法［17］用于检验不同采样间隔测量的MVPA时间的一致性程度。采用Kappa检验判断不同采样间隔对于判定研究对象平均每天MVPA时间是否满足WHO推荐量的一致性，依据Kappa值将一致性程度分为极好 （Kappa=0.81～1.0）、良好（Kappa=0.61～0.80），中等（Kappa=0.41～0.60），较差（Kappa=0.21～0.40）和差（Kappa=0.00～0.20）［18］。

2 结果

2.1 研究对象基本情况

参加本研究的296名学生，1人因身体原因退出，3人数据因加速度计故障被排除。在292名完成测试的学生中，251人提供了有效数据，被纳入最终的数据分析。研究对象的基本情况描述见表1，平均年龄13.06岁，男女生人数相近。其中小学生96人，初中生98人，高中生57人。

2.2 不同采样间隔测量的不同强度体力活动时间的差异

采用1秒、5秒、15秒、30秒、60秒五种加速度计采样间隔测量小学生、初中生、高中生不同强度体力活动时间的结果见图1A-D。

单因素重复测量方差分析发现，采样间隔对于小学生LPA （F（1.17，111.43）=2277.04，P<0.05，偏η2= 0.96）、MPA （F（1.29，122.85）=266.02，P<0.05， 偏η2= 0.74）、VPA（F（1.62，154.06）=868.92，P<0.05，偏η2=0.90）和MVPA（F（1.47，139.20）=90.10，P<0.05，偏η2=0.49）时间均有显著主效应，显示出很强的效应作用。事后检验发现，对于LPA、MPA和VPA时间，五种采样间隔之间均具有显著性差异（P<0.05）；对于MVPA时间，除15秒和60秒、30秒和60秒两种采样间隔比较无显著性差异外，其余各采样间隔之间具有显著性差异（P<0.05）。

表1 研究对象的基本情况（±s）

表1 研究对象的基本情况（±s）

???n = 251? ????n = 96? ????n = 98? ????n = 57? ????? 13.06–2.68 12.71–2.36 13.82–1.20 16.49–0.89 ???cm? 150.01–11.85 139.02–7.36 154.40–7.42 160.96–8.77 ???kg? 42.23–10.33 33.69–7.31 44.61–7.35 52.54–6.98 BMI?kg/m? 18.48–2.58 17.27–2.51 18.62–2.18 20.28–2.21 ???%? 51 47.9 49 59.6 ???%? 49 52.1 51 40.4

采样间隔对于初中生LPA（F（1.05，101.47）=1486.17，P<0.05，偏η2=0.94）、MPA （F（1.14，110.31）=24.02，P< 0.05，偏η2=0.20）、VPA（F（1.19，115.50）=465.92，P<0.05，偏η2=0.83）和MVPA（F（1.16，112.81）=33.86，P<0.05，偏η2=0.26）时间均具有显著主效应，并且呈现很强的效应作用。事后检验揭示，对于LPA、VPA时间，五种采样间隔之间均具有显著性差异（P<0.05）；对于MPA时间，除5秒与60秒、15秒与30秒、15秒与60秒、30秒与60秒四种采样间隔比较无显著性差异外，其余各采样间隔之间均有显著性差异（P<0.05）；对于MVPA时间，除1秒与5秒、1秒与15秒两种采样间隔比较无显著性差异外，其余各采样间隔之间均有显著性差异（P<0.05）。

图1 采用五种加速度计采样间隔测量儿童青少年LPA（A）、MPA（B）、VPA（C）和MVPA（D）时间的差异

采样间隔对于高中生LPA（F（1.20，67.32）=896.19，P< 0.05，偏η2=0.94）、MPA（F（1.25，69.85）=6.47，P<0.05，偏η2=0.10）、VPA（F（1.29，72.26）=248.03，P<0.05，偏η2= 0.82）和MVPA（F（1.34，74.94）=9.15，P<0.05，偏η2=0.14）时间均具有显著主效应，但对MPA时间和MVPA时间呈现中等效应作用。事后检验揭示，对于LPA、VPA时间，五种采样间隔之间均具有显著性差异 （P< 0.05）；对于MPA时间，只有1秒与5秒、1秒与15秒、1秒与30秒三种采样间隔的比较具有显著性差异（P< 0.05）。对于MVPA时间，除1秒与5秒、5秒与60秒、15秒与60秒、30秒与60秒四种采样间隔比较无显著性差异外，其余各采样间隔之间均有显著性差异（P< 0.05）。

不同采样间隔之间两两比较，与短的采样间隔相比，长的采样间隔低估所有研究对象的VPA时间、高估LPA和MPA时间，高估小学生的MVPA时间，低估初中生及高中生的MVPA时间。

2.3 不同采样间隔测量MVPA时间的一致性检验

采用Bland-Altman方法分析不同采样间隔测量小学生、初中生、高中生MVPA时间的一致性程度，偏倚 （Bias）和95%一致性界限 （95%limits of agreement）见图2。对于小学生，15秒与30秒、15秒与60秒、30秒与60秒的偏倚接近0，95%一致性界限较小。对于初中生和高中生，1秒与5秒、5秒与15秒、15秒与30秒、30秒与60秒的偏倚接近0，95%一致性界限较小。

2.4 不同采样间隔对于判定研究对象是否达到MVPA推荐量的一致性检验

Kappa检验结果（表2）显示，五种采样间隔两两配对，在依据MVPA时间判定研究对象是否达到WHO推荐量方面，对小学生的判定完全一致；对初中生的判定，除1秒与30秒、1秒与60秒、5秒与30秒、5秒与60秒呈一致性中等，其余均呈一致性极好；对高中生的判定，1秒与5秒、15秒与30秒、30秒与60秒呈一致性极好，1秒与60秒、5秒与60秒呈一致性中等，其余均呈一致性良好。

3 讨论

3.1 不同采样间隔测量LPA、MPA、VPA、MVPA时间的差异

有研究［9］显示，加速度计数与间接测热法测得的能量消耗具有中到高度相关性，证实加速度计是测量儿童青少年自由生活状况下体力活动的理想工具。由于早期加速度计存储空间的限制，一般采用60秒采样间隔记录加速度计数，再转化为不同强度体力活动持续时间。但研究显示，儿童青少年体力活动具有自身的特点，主要由不定时发生、间断性的短期高频活动组成，并且这种活动短时间内在高强度和低强度之间转换［19，20］。Bailey等的观察研究［21］发现，6～10岁儿童低到中强度的簇集性活动平均持续6秒，高强度的簇集性活动平均持续3秒，并且这两种活动形式中95%的持续时间不超过15秒。如果采样间隔比簇集性活动持续时间长，或者簇集性活动被采样间隔割裂为两部分，每一部分有不同强度的活动形式，就会将不同强度体力活动的计数在采样间隔内进行平均，从而可能将高强度体力活动错划为较低强度的体力活动，导致簇集性的高强度体力活动未被捕捉到，该部分体力活动水平被低估。因此，有学者［7，22］质疑采用60秒采样间隔评估儿童青少年VPA的准确性，建议采用更短的采样间隔。

图2 不同采样间隔测量小学生、初中生、高中生MVPA时间的偏倚和95%一致性界限

本研究发现，采用加速度计测量儿童青少年日常生活状态下的体力活动水平，不同采样间隔测量的小学生、初中生、高中生的不同强度体力活动时间确有差异。与较短采样间隔相比，较长采样间隔低估了所有研究对象的VPA时间，高估了LPA和MPA时间，高估了小学生的MVPA时间，低估了初中生及高中生的MVPA时间。Nilsson等［7］报告了与本研究相似的结果，采用ActiGraph 7164型加速度计以5秒、10秒、20秒、40秒、60秒五种采样间隔测量了16名7岁儿童的体力活动，发现VPA时间被较长采样间隔低估，但不同采样间隔测量的MPA时间无显著差异。相反，Rowlands等［6］用RT3型加速度计采用1秒和60秒两种采样间隔，研究了25名7～11岁儿童测量结果的差异，发现与1秒采样间隔比较，60秒采样间隔高估了MPA和VPA时间，而LPA和MVPA时间则无差异，这可能是其研究对象簇集性VPA较多，且强度较大，在一个采样间隔内虽然与MPA或LPA时间平均，但因为强度较大，所以仍属于VPA范畴，从而拉长了VPA时间。需要注意的是，上述研究样本量均较小（分别为16人和25人），其结论可能有偏差。本研究在较大样本量的基础上，针对小学生、初中生、高中生三类研究对象的测试结果基本一致，不同采样间隔对LPA、MPA、VPA时间均具有显著主效应，提示欲采用加速度计准确测量儿童青少年不同强度体力活动水平，宜采用较短采样间隔，如1秒。McClain等［23］采用ActiGraph加速度计测量MVPA时间，以直接观察作为体力活动的标准评价方法，发现短采样间隔产生较小的个体误差，推荐采用较短的采样间隔，所得结论与本研究一致。

表2 不同采样间隔判定儿童青少年是否达到MVPA推荐量的一致性检验

3.2 不同采样间隔测量MVPA时间的一致性

MPA和VPA与健康的关系较为密切，在体力活动研究中，常将MPA与VPA时间合并为MVPA时间，作为体力活动研究的关注点。因此，本研究着重分析不同采样间隔测量MVPA时间的一致性。Bland-Altman分析发现，部分采样间隔（如对于小学生，15秒与30秒、15秒与60秒、30秒与60秒；对于初中生及高中生，1秒与5秒、5秒与15秒、15秒与30秒、30秒与60秒）在测量MVPA时间时虽有差异，但偏差接近0，说明两种采样间隔测量的数据结果差异不大，同时95%一致性界限也比较小，提示上述采样间隔测量儿童青少年MVPA时间的一致性较好，采用上述采样间隔测量的体力活动数据之间可以进行比较分析。小学生表现为较长采样间隔测量的数据之间具有可比性，而较短采样间隔测量的数据之间不具有可比性，推测可能是由于小学生相同强度体力活动持续时间短、不同强度体力活动类型转化频率快；而初中生及高中生相邻采样间隔测量的数据具有可比性，可能是由于初中生及高中生体力活动趋于稳定，不同强度体力活动类型转化频率低，采样间隔对测量初中生及高中生MVPA时间的影响较小。

3.3 不同采样间隔对判定儿童青少年是否达到体力活动推荐量的一致性

鉴于体力活动与健康的密切关系，包括我国在内的多个国家均提出了体力活动的推荐量。WHO建议儿童青少年每天参加MVPA不少于60分钟，我国亦在全国范围内推行“阳光体育运动”，提倡在校学生每天锻炼1小时。能否达到体力活动推荐量，成为衡量一个国家或地区体力活动水平的重要指标。而在我国目前开展的阳光体育运动中，由于不同地区、学校安排“阳光体育1小时”的内容、形式不尽相同，很多学校将“阳光体育1小时”分散在早操、课间操、体育课、课外体育活动等多个活动时间，有的学校甚至连眼保健操也包括在阳光体育中，因此虽然有些学校声称学生的体育锻炼时间达到了1小时，但与健康关系密切的中等及高强度体力活动时间是否达到1小时，难以确定。加速度计的应用为准确评估儿童青少年体力活动达标情况提供了可靠工具。本研究采用Kappa检验，证实五种采样间隔对于判定儿童青少年体力活动是否达到每天1小时MVPA推荐量的一致性程度较好：其中，小学生体力活动水平比较高，全部达到每天1小时MVPA的推荐量，五种采样间隔对其是否达到体力活动推荐量的判定完全一致；五种采样间隔对于判定初中生和高中生是否达到体力活动推荐量的一致性亦达到中等以上。这表明，不同采样间隔未对儿童青少年是否达到体力活动推荐量的判定产生显著影响，故在以了解儿童青少年是否达到体力活动推荐量为目的的大范围调查中，或者在以加速度计客观评价儿童青少年参与阳光体育运动的实施情况时，可采用较长的采样间隔（如60秒），以简化数据的存储和处理。

4 总结

4.1 测量小学生体力活动时间，采用15秒与30秒、15秒与60秒、30秒与60秒采样间隔的研究结果具有可比性；测量初中生和高中生体力活动时间，采用1秒与5秒、5秒与15秒、15秒与30秒、30秒与60秒采样间隔的研究结果具有可比性；判断研究对象是否满足体力活动推荐量，五种采样间隔的研究结果均具有可比性。

4.2 精确测量儿童青少年不同强度体力活动时间宜采用较短采样间隔（如1秒），调查儿童青少年体力活动时间达到推荐量的情况可采用较长采样间隔 （如60秒）。

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