学龄前儿童身体活动中加速度计的应用进展

王 博，王克平，关宏岩

(1.首都儿科研究所，北京 100020;2.北京物资学院，北京 101149 )

身体活动(physical activity)的定义为：由骨骼肌收缩引起，产生并伴有能量消耗的任何形式的身体运动，在国内常被译成体力活动。研究证实，身体活动对身心健康有积极作用，适量的身体活动不仅能够促进儿童的生长发育，维持能量代谢平衡，还有利于儿童的心理健康[1]。在生命发展早期，目前最关注的是0～5岁阶段的儿童身体活动，尤其是学龄前期，即3～5岁儿童，该阶段儿童参加适当的身体活动对于形成良好的运动习惯，预防超重肥胖、高血压和心血管疾病等至关重要。

对身体活动进行准确有效的测量十分重要。传统的身体活动测量方法如自我报告、问卷法，因操作简便且成本低廉而被广泛应用，但由于易发生主观偏倚，导致测量结果准确性不高。直接观察法和双标水法分别是区分身体活动强度和测量能量消耗的金标准，但由于操作复杂，测试条件受限等原因，不适用于大规模流行病学调查。近年随着传感技术的发展，加速度计已逐渐成为常用的客观测量身体活动的方法。它可每日连续24小时佩戴，提供身体活动的总量、强度、频率、持续时间和能量消耗值等信息，因轻巧便携且佩带方便，同时不影响调查对象正常活动，测量结果准确，适用于人群流行病学研究。

身体活动强度和活动产生的能量消耗是身体活动最重要的两个指标。身体活动按照强度可划分为静态活动(sedentary behavior，SB)、低强度身体活动(light physical activity，LPA)、中等强度身体活动(moderate physical activity，MPA)、剧烈强度身体活动(vigorous physical activity，VPA)和中等强度及以上身体活动(moderate-to-vigorous physical activity，MVPA)。加速度计法作为客观的方法学可较准确地区分身体活动的不同强度及估算活动的能量消耗值。目前已有多个研究建立了学龄前儿童身体活动强度的分界值和能量消耗预测模型。

加速度计除了可提供身体活动客观指标的方法学参考外，还可以作为客观标准对问卷法等传统测量方法进行评估。问卷法是评估学龄前儿童身体活动的常用方法，可获得儿童日常身体活动情况等信息。通过已建立的客观方法学标准得到的身体活动时间客观值等结果与问卷法的身体活动时间值进行比较，验证问卷的信效度。

身体活动不足已成为危害儿童健康的重大公共卫生问题。对此，国际上已有国家发布了针对学龄前儿童的身体活动指南，对日常的身体活动提出了推荐量，包括活动强度和时间。美国国家体育运动教育协会[2]、澳大利亚政府健康部[3]和加拿大运动生理协会[4]均建议学龄前儿童每日身体活动总时间(total physical activity，TPA)应累计达到至少3小时，包括中等强度以上活动时间应累计达到1小时。利用加速度计判断学龄前儿童日常活动量是否符合指南推荐量逐渐成为热点，并可从中了解影响儿童身体活动的相关因素。

目前国外对身体活动相关研究开展较多，而我国身体活动研究领域主要集中在学龄期儿童和青少年，对学龄前儿童关注较少。本文通过介绍三种最常用于学龄前儿童身体活动研究的加速度计的功能特点，对其应用研究现状进行梳理和归纳，为儿童身体活动研究领域提供一些的参考。

1学龄前儿童身体活动研究中常用的加速度计

加速度计实际是一种传感器，通过将测量物体运动所产生的加速度转换为电信号，经过处理后得到加速度计数(counts)，代表单位时间内的加速度大小。计数本身并没有生物学意义，是通过确定不同身体活动强度的分界值(cut-points)和能量计算方程，得到不同强度水平身体活动的时间量和活动的能量消耗值等结果。根据传感器的数量，加速度计可分为单轴、双轴、三轴和九轴。单轴为最早一代的设备，只记录垂直方向的加速度。三轴记录包括矢状轴(x轴，水平)、冠状轴(y轴，纵向)和垂直轴(z轴，垂直)共3个方向。九轴是由2个三轴、1个陀螺仪和1个磁力计组成，属于最新一代设备，自2017年才开始有相关研究文献，尚未普及。目前应用最多的是三轴加速度计。

本文选择了Actigraph、Actical和ActivPAL共三种加速度计，其中Actigraph和Actical是在学龄前儿童身体活动研究中应用最多的前两位，ActivPAL是目前针对人体姿态识别(站，坐，躺)最准确的加速度计，见表1。

1.1加速度计的常用类型

1.1.1 Actigraph类型

Actigraph(Actigraph LLC，Pensacola FL，USA)中的GT3X为第四代加速度计，采用三轴加速度计数，是目前应用最广泛的加速度计。最新一代为GT9X，采用九轴加速度计数，目前尚未普及。

Actigraph是被验证最多的加速度计，除了对身体活动强度的区分和活动产生的能量消耗值预测有很高准确性外，还可以戴在手腕上监测睡眠时间和评估睡眠质量。Johansson等[5]用直接观察法验证GT3X判断身体活动强度的能力，所有身体活动强度结果的Spearman系数范围为0.69～0.91。另一项检验其能量消耗预测能力的研究证实Actigraph对3～5岁儿童各个身体活动强度的能量消耗值预测均比较准确，与间接测热法的相关系数达到0.82[6]。

1.1.2 Actical类型

Actical(Respironics，Koninklijke Philips Electronics N.V.，Netherlands)在学龄前儿童身体活动研究领域使用的频率仅次于Actigraph。它是一款三轴加速度计，对垂直轴的加速度最为敏感，其防水功能较好，可在水下1米连续佩戴30分钟，对身体活动产生能量消耗值的估算和中等以上强度活动的判断有较好的信度和效度。2006年南卡罗莱纳大学的学者Pfeiffer等评估Actical对学龄前儿童身体活动监测的信、效度中显示，能量消耗值与金标准结果的相关系数为0.89，为显著相关。中等强度和剧烈强度活动的分界值一致性为0.73和0.85。

1.1.3 ActivPAL类型

ActivPAL(PAL Technologies，Glasgow，Scotland，UK)是人体姿态识别最准确的单轴加速度计，可识别坐姿、卧姿和站立三种姿态。其形似创可贴，可直接接触皮肤贴在大腿上，通过测量大腿的倾斜角度来判断大腿的运动方向，从而判断人体的活动姿态。因为目前加速度计都无法识别身体活动的类型，ActivPAL对姿态进行识别在一定程度上弥补了这一不足。

澳大利亚伍伦贡大学的van Loo等[7]验证了ActivPAL在5～12岁儿童中测量的有效性和稳定性，与直接观察法比较的结果是在5～8岁儿童中坐/躺、站立、走路三种姿态识别的灵敏度分别为95.3%、81.5%和85.1%。另一项来自Janssen等[8]的研究同样在4～6岁儿童中证实了这一点。

表1 常见加速度计的比较

1.2 加速度计的重要参数

加速度计的使用相对复杂，使用前需要在专门的软件上设定采样间隔，确定佩戴部位及佩戴天数等参数。仪器收回后要将数据下载到电脑中，筛选出有效数据，并选择适宜的界值点或能量计算方程，计算不同强度身体活动时间或能量消耗值。由于加速度计类型众多，目前对于参数的设定尚无统一的使用标准。

1.2.1采样间隔

加速度计以一定时间间隔记录加速度计数，这个时间间隔称为采样间隔(epoch)，通常为1秒至几分钟不等。设定短时间间隔采集数据后，可合并为长时间间隔，如采样间隔设定为1秒，收集数据后可合成15秒、30秒、60秒的数据文件进行比较。

儿童身体活动具有突发性强、强度变换频繁、持续时间短等特点，通常在非常短的时间内进行较高强度的身体活动，同时包括不同时间的低强度身体活动。因此采取较短的时间间隔可有效评估儿童身体活动水平。目前在学龄前儿童身体活动的研究中，大部分采样间隔设置为15秒[2，9-10]；但Kim等[11]通过对Actigraph设定不同的采样间隔(1秒、15秒、30秒、60秒)监测31名3～5岁儿童1天的身体活动，发现不同采样间隔在加速度计数的输出上无统计学差异，但在(MVPA)的判断上，15秒、30秒和60秒的结果相差很大。因此提示研究者在使用较短时间间隔测量身体活动时，应考虑到重新合并为较长时间采样间隔评估MVPA结果带来差异的可能性。

1.2.2佩戴部位

加速度计佩戴位置通常为腕部、髋部/腰部，也可佩戴于腿部。佩戴位置的选择十分重要，因为即使是同一种设备，如果佩戴在不同的位置，测量的结果也会有差异。

超过半数的研究采用佩戴部位是髋部。因为髋部为身体躯干，且更接近身体的重心位置，能较准确地反映身体活动情况。一般佩戴于髋部右侧，基本不会影响人体活动，就舒适性而言受试者易于接受。最新的一项研究显示，将加速度计(actigraph，AG)同时佩戴于3～6岁儿童的腕部和髋部，其测量结果差别很小，相关系数分别为0.78和0.80[12]。将腕部和髋部结合后模型数据的相关系数为0.82，提示腕、髋部同时佩戴，测量效果更好。另一项来自卡洛琳斯卡医学院学者Elin等[13]的研究推荐采用腕部佩戴，研究选取了30名4岁儿童在腕部和髋部同时佩戴AG，分别与直接观察法比较得出一致性系数，腕部为0.92，髋部则为0.86。因此，对佩戴部位的选择可根据研究的实施可行性和受试者的意愿进行调整。

1.2.3佩戴天数

身体活动测量的主要目的是得到受试者日常的身体活动信息。各加速度计的待机时间一般为7～40天不等，为了能够代表学龄前儿童的日常身体活动情况，确定佩戴天数十分重要。

Berglind等[14]的研究证实学龄前儿童在园日与周末的身体活动水平具有明显差异，且在园日比周末活跃，考虑到在园日和周末日的差异，通常采取的佩戴时间是连续7天，即在园日5天和周末2天。也有部分研究选取3天为测量时间，包括2个工作日和1个周末日[9]。因为7天时间的有效天数筛选标准是至少包含2个在园日和1个周末日的时间，所以只要按照研究设定的时间完整佩戴3天，就可获得有效的3天数据，满足数据筛选需求。如果设备数量有限，可规定3天的监测时间，但需完全按照研究设定保证每日佩戴时间。若设备数量充足，也可采取3天完成测量，这样可在一定程度上缩短项目周期，提高研究效率。综上，在佩戴天数的选择上，应根据研究需求及设备数量情况进行考量并设定。

2加速度计的应用现状

近年来加速度计用于学龄前儿童身体活动研究逐渐增多，主要包括建立学龄前儿童身体活动强度的分界值及能量消耗预测模型的方法学研究、与传统测量方法比较的研究、儿童运动监测及相关影响因素调查研究等。

2.1学龄前儿童身体活动各强度分界值和能量消耗预测模型方法学的研究

加速度计法已成为公认的判断身体活动强度和计算活动中能量消耗值的测量方法。

身体活动分界值标准是在一定单位时间内的加速度计数(counts)的大小值来界定不同的活动强度。在表2中列举了多种学龄前儿童身体活动强度的分界值标准，各项研究的分界值标准均有一定的差异，可能是由于受试儿童的差异及测试方案不同所导致，其中通过使用Actigraph建立的Evenson和Pate的分界值标准是目前在学龄前儿童身体活动研究中使用率最多的两种。我国首都儿科研究所学者关宏岩及其研究团队[15]已经应用Actigraph建立了学龄前儿童的身体活动分界值，通过ROC曲线判定的静态、轻度和中度强度活动水平的敏感度为100.0%、85.4%和98.2%，特异度分别为100.0%、86.5%和98.0%。与直接观察法比较的kappa系数为0.71，显示了较好的一致性。针对目前学龄前儿童身体活动强度分界值标准的差异性，未来的研究方向需对受试人群及测试方案等方面做标准化的规范。

活动能量消耗(activity energy expenditure，AEE)的估算有两种方式，一是通过确定代谢当量值(metabolic equivalent，METs)进行能量估算；二是以加速度计数counts值及设置的性别、年龄、身高等参数共同建立的回归方程。在表3中包括了针对学龄前儿童建立的能量消耗预测方程。除了上述两种方法，对氧耗量的测量同样等同于AEE的计算[6]。在未来的研究中除建立更多能量回归方程外，还可结合儿童膳食摄入能量，探索儿童能量摄入与输出平衡的相关研究。

表2 学龄前儿童身体活动强度分界值汇总表

表3 学龄前儿童身体活动能量消耗模型汇总表

注:vertical为垂直方向；horizontal为水平方向；VO2：耗氧量。

2.2与其他传统方法比较的研究

问卷法和自我报告法是传统的身体活动评估方法，因其操作简单，成本低而被大量使用。由于学龄前儿童无法进行完整的自我报告，所以一般采取问卷法，由照护者回忆并评估儿童的运动情况等信息。加速度计法可作为客观标准验证问卷的信效度。

荷兰身体活动问卷(The Netherlands Physical Activity Questionnaire，NPAQ)是由父母报告学龄前儿童的运动情况，该问卷的得分最初用于儿童活动水平高低的判断，但并未经过验证。Bielemann等[23]通过与家长面对面访谈的方式完成了对儿童运动信息的收集，使用AG收集儿童连续5天的客观数据，对问卷进行检验，结果显示MVPA的问卷结果与客观值的相关系数是0.27。Shephard(2003年)研究认为相关系数在0.3～0.5之间表示有效，该研究发现的系数仅表现为弱相关。

2.3学龄前儿童的身体活动监测及指南达标率的研究

随着国际上学龄前儿童身体活动指南的发布，通过使用加速度计对学龄前儿童的日常身体活动进行监测，判断其身体活动水平是否符合当前国际身体活动指南的推荐量标准已逐渐成为研究热点。核心推荐指标为每日身体活动总时间(total physical activity，TPA)应累计达到至少3小时，其中MVPA时间应累计达到1小时尤为重要。

美国学者Beets等[2]使用Actigraph对397名3～5岁儿童进行了长达2周的身体活动监测，结果显示儿童每日TPA时间为(371.2±81.1)分钟/天，每日MVPA时间为(102.2±40.6)分钟/天。整体儿童的MVPA达标率超过半数，其中男孩的每日MVPA达标率为65.6%，女孩的MVPA达标率为52.9%。与之相比，一项调查8个国家儿童身体活动情况的研究[10](包括意大利，塞浦路斯，匈牙利，爱沙尼亚，西班牙，德国，瑞典和比利时)反映了欧洲整体儿童MVPA的达标率相对较低，在调查的7 638名2～11岁儿童中，至少连续佩戴3天AG，其中2 617名3～5岁儿童有效数据显示每日MVPA达标率均低于34.1%。更低的情况出现在澳大利亚，在伍伦汞大学的Okely及其团队的研究[11]中对1 004名3～5岁儿童连续7日的监测数据显示每日TPA达标率仅为5.1%。我国学龄前儿童的身体活动达标率也不容乐观，2014年，路飞扬和张涵彬的研究表明学龄前儿童的每日MVPA达标率分别为52.9%和27.3%。

加拿大学者Colley等[24]在对459名3～4岁儿童连续7天佩戴Actical后，发现儿童每日的TPA达标率为83.8%，MVPA达标率仅为9%，5岁儿童的每日MVPA达标率为13.7%。

Ellis等[25]应用ActivPAL对澳大利亚学龄前儿童监测的结果显示，平均每个白天坐姿、站立和身体活动的时间比例分别为48.3%、32.5%和19.1%。在园日每小时至少包含15分钟身体活动的达标率[美国医药协会标准(The Institute Of Medicine，IOM)]仅为16%。

以上研究结果显示，大部分国家的学龄前儿童身体活动时间均未能达到指南推荐标准，证明学龄前儿童身体活动不足情况已较为严重。为提高学龄前儿童每日身体活动时间，尤其是中等强度以上活动的时间，未来应着力于对儿童身体活动的促进和干预研究。目前我国学龄前儿童身体活动相关领域监测数据较少，但已提示学龄前儿童身体活动不足，应尽快开展大规模学龄前儿童身体活动监测工作，以便了解我国学龄前儿童身体活动现状。

2.4身体活动相关影响因素的研究

通过借助加速度计提供的日常身体活动监测数据，可分析得到的身体活动相关影响因素主要包括儿童年龄、体脂率、父母的身体活动水平和保育环境等。

年龄是影响身体活动的重要因素，Hinkley等[26]发现学龄前儿童每增长1岁，在该年份花费在身体活动上的时间减少大约10%。在随后的分析中又发现了保育环境对儿童身体活动也会产生影响，儿童在保育环境中的身体活动时间明显高于保育环境外[27]。与此相似的结果在其他研究[28]中也被证实。体脂率作为判断儿童超重肥胖的重要指标，与学龄前儿童的MVPA存在负相关关系，即体脂率越高，其MVPA时间越低。Leppänen等[29]和Butte等[30]的研究均得出上述结论。荷兰格罗宁根大学的Brouwer等[31]分析得出父母的身体活动水平与儿童的身体活动水平密切相关，提示父母的高水平身体活动越多，儿童的高水平身体活动也就越多。Jago等[32]和Xu等[33]的研究得出了同样的结论。未来的研究方向除了继续调查身体活动的相关因素外，还应探索更多通过控制影响因素来提高儿童身体活动水平的干预研究。

3小结

近年来，加速度计越来越多地应用于学龄前儿童的身体活动研究领域。加速度计法作为目前最客观、准确且有效测量身体活动的方法，为学龄前儿童身体活动监测提供了一个可靠的工具。在大力推广加速度计应用的同时，应注意加速度计的使用方法。由于加速度计种类较多，目前尚缺乏统一的使用标准，因此在选择和使用时应充分考虑研究需求、人群特性、参数设定等因素。特别是针对学龄前儿童身体活动突发性强、活动频率快的特点，当前应致力于探索和制定加速度计使用的统一标准。同时，为解决学龄前儿童的身体活动严重不足这一重大公共卫生问题，未来需更多的研究来开展学龄前儿童身体活动的促进与干预措施，通过增强照护人的身体活动水平和观念、改善幼儿园教学环境、开发身体活动课程等措施增加学龄前儿童身体活动时间，改善其身体活动不足的现状。目前针对我国学龄前儿童身体活动领域的研究较少，因此应尽快进行大量的学龄前儿童身体活动客观监测研究。