学龄前儿童身体活动采样间隔和强度分界值的适用性研究

2022-07-01常振亚王树明

中国体育科技 2022年6期

常振亚，王树明

近年，伴随《3—6岁儿童学习与发展指南》《幼儿园工作规程》《全民健身计划（2016—2020年）》《“健康中国2030”规划纲要》等文件的相继颁布，学龄前儿童的健康状况尤其是体质健康状况越来越受到重视。身体活动（physical activity，PA）作为促进学龄前儿童体质健康的重要手段，在体育学领域、学前教育领域以及公共卫生等领域不断被提及。身体活动又被称为体力活动，是指由于骨骼肌收缩产生的机体能量消耗增加的活动。其不仅包含传统意义上的体育锻炼，如跑步、游泳、球类运动；也包括日常生活中的身体活动，如步行、上下楼梯、休闲活动等（中华人民共和国卫生部疾病预防控制局，2012）。

当前，在以身体活动水平为主要内容的研究中，都会使用加速度计来测量学龄前儿童（3～6岁，又称幼儿）一周内的活动水平。获得数据之后如何评价幼儿身体活动水平，需要相应的标准；同样，对于选用采样间隔的时间亦需要相应的标准，但目前国内外尚未达成一致意见。具体来说，分为以下两个方面。

1）身体活动强度分界值（又称“切点”）的标准。伴随儿童活动评级量表（Children’s Activity Rating Scale，CARS）的信效度得到广泛认可，相关研究开始以CARS为工具建立切点，如以3～5岁儿童为被试建立的Sirard切点（Sirard et al.，2005）和以4～6岁儿童为被试建立的Cauwenberghe切点（Cauwenberghe et al.，2010）。虽然以量表为工具建立的切点生态效度较高，但其可能不够客观、准确。因此，相关研究开始探索以便携代谢测量系统（VO2）为校验工具建立切点，如以3～5岁儿童为被试建立的Pate切点（Pate et al.，2006）。迄今为止，Pate切点在世界范围内被引用的次数最多（全明辉，2015）。还有研究综合运用VO2测试和心率记录法以5～8岁儿童为被试建立切点，称为Everson切点（Evenson et al.，2008）。相比Pate切点，Everson切点的校验活动类型更加丰富，但该切点和Pate切点一样需要较为严格地控制儿童，使得儿童的参与完成难度较高，一定程度上会影响结果的准确性。其在学龄儿童中运用较多，在学龄前儿童中运用比较有限。Buttle等（2013）综合心率记录法、双标水法和室内量热法以3～5岁儿童为被试同时建立了两个切点：Buttle切点（垂直轴）和ButtleVM切点（三轴）。Buttle切点不仅运用了客观的校验工具，而且生态效度较高。综上发现，这些切点均是基于国外学龄前儿童为被试建立的。国内研究运用CARS和心率带以中国5～6岁儿童为被试建立的切点，其被称为李堃切点（李堃等，2017）。

2）采样间隔的标准。最初，由于加速度计存储空间的限制，研究者一般采用60 s采样间隔记录加速度计数（贺刚等，2011；王超等，2012）。后来，相关研究开始倾向于在学龄前儿童中选用15 s采样间隔。2005—2010年间以学龄前儿童为研究对象的相关研究中使用15 s采样间隔和60 s采样间隔的比例相同，均为42.9%（Cain et al.，2013）。其中，使用15 s采样间隔的重要原因是，相比60 s采样间隔，15 s采样间隔可以监测到更高的中高强度身体活动（moderate-to-vigorous physical activity，MVPA）（Colley et al.，2014）。选用15 s采样间隔的同时，有研究在学龄前儿童研究中使用5 s及5 s以下的采样间隔（常振亚等，2020；王玉龙，2019；Cain et al.，2013；Vale et al.，2009），且采样间隔选用呈现越来越短的趋势。国内学者在研究中开始选用1 s的采样间隔（方慧等，2018；赵广高等，2017，2019；Fang et al.，2017；Quan et al.，2018，2019；Xu et al.，2018）。

综上，运用加速度计开展研究时要厘清这些切点和采样间隔对数据采集的影响，以获取更可靠的结果。已有研究比较了不同切点和采样间隔在国外学龄前儿童身体活动数据采集中的适用性（Colley et al.，2014；Janssen et al.，2012；Kim et al.，2013；Scott et al.，2015）。然而，这些研究结果在我国学龄前儿童中的适用性尚未可知。国内虽有研究基于加速度计比较了1 s、5 s、10 s、30 s和60 s 5种采样间隔对儿童身体活动数据采集的影响，但其研究对象是儿童青少年（9～18岁）（王超等，2012）。因此，本研究旨在上述研究的基础上进一步系统探究以ActiGraph加速度计为工具的7个切点（李堃切点、ButtleVM切点、Buttle切点、Cauwenberghe切点、Evenson切点、Pate切点和Sirard切点）及不同采样间隔（1 s、5 s、10 s、15 s、30 s和60 s）在我国学龄前儿童中的适用性，了解42种组合条件下身体活动推荐量的满足程度差异状况，以更好地促进加速度计在学龄前儿童测评中的规范运用，增加相关研究间的可比性，进而最终促进学龄前儿童身体活动健康效益的提升。身体活动推荐量主要参考《学龄前儿童（3～6岁）运动指南》（关宏岩等，2020）。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究以班为单位随机选取长沙市6所幼儿园的360名学龄前儿童作为研究对象。数据采集后，有效数据回收率约为81.4%，即本研究最后实际样本量为293，包括198名5～6岁儿童（男童96名，女童102名）和95名3～4岁儿童（男童50名，女童45名）（表1）。

表1 被试的基本信息Table 1 Basic Information for Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 实验测试法

使用ActiGraph GT3X-BT三轴加速度计测量儿童的身体活动。该工具可以测量冠状轴、矢状轴和垂直轴3个方向的加速度。内芯片感知传感器将其转化为电信号，再由电信号转换为Counts值进行结果输出（全明辉，2015）。学龄前儿童连续7天（5个工作日和2个周末日）佩戴加速度计。每个加速计有一个识别号码，分配给有相应识别符的幼儿，佩戴部位是右侧髂嵴上部。设备测试后，利用ActiLife v6.13.3下载数据并进行初步分析（表2），对于测量数据不符合要求或者有缺失的部分及时安排被试进行补测。加速度计主要测评学龄前儿童的以下指标：1）静坐行为（sedentary behavior，SB）；2）低强度身体活动（light physical activity，LPA）；3）中等强度身体活动（moderate physical activity，MPA）；4）高强度身体活动（vigorous physical activity，VPA）。在此基础上可以进一步计算出中高强度身体活动（moderate-to-vigorous physical activity，MVPA；MVPA=MPA＋VPA）和总身体活动（the total of physical activity，TPA；TPA=LPA＋MPA＋VPA）等指标。

表2 ActiGraph GT3X-BT身体活动测量参数设置Table 2 ActiGraph GT3X-BT Physical Activity Measurement Parameter Setting List

1.2.2 数理统计法

1）将采集到的数据在ActiLife v6.13.3中转换为1 s、5 s、10 s、15 s、30 s和60 s的数据集。2）在“Wear time Validation”中根据表1剔除无效数据。3）采用重复测量方差分析探究7个切点下6种采样间隔（42种组合）测量SB、LPA、MVPA和TPA的差异性。4）采用频数分析探究42种组合条件下学龄前儿童的身体活动推荐量满足程度。

2 结果

2.1 不同切点与采样间隔下5～6岁儿童的身体活动测评情况

同一切点条件下，以1 s采样间隔为参照，SB随着采样间隔的增加而下降（η2=0.84～0.97），TPA随着采样间隔的增加而上升（η2=0.84～0.94）。但Cauwenberghe切点和Sirard切点随着采样间隔的增加SB先减后增，而TPA先增后降，且变化幅度相比其他切点均较小。同一切点条件下，以1 s采样间隔为参照，LPA随着采样间隔增加而上升（η2=0.75～0.97），但Sirard切点随着采样间隔的增加先增后降。同一切点条件下，以1 s采样间隔为参照，MVPA均随着采样间隔的增加而下降（η2=0.75～0.94），但Pate切点随着采样间隔的增加先增后降且相比其他切点变化幅度较小（表3）。

表3 不同切点与采样间隔下5～6岁儿童身体活动的测评情况Table 3 Evaluation of Physical Activity of Children Aged5 to6 Years under Different Cut-Points and Sampling Intervals

同一采样间隔条件下，7个切点测量的SB之间均存在显著性差异（η2=0.96～0.97）；除1 s采样间隔时Buttle切点和李堃切点外，本研究其他切点测评的LPA之间均存在显著性差异（η2=0.95～0.97）；除1 s采样间隔时Cauwenberghe切点和Everson切点以及60 s采样间隔时ButtleVM切点和Buttle切点外，本研究其他切点测评的MVPA之间均存在显著性差异（η2=0.86～0.94）；除15 s采样间隔时ButtleVM切点和Everson切点外，本研究其他切点测评的TPA之间均存在显著性差异（η2=0.96～0.97）。

随着采样间隔的增加，不同切点评估的MVPA最大值和最小值之差即极差逐渐变小，SB、LPA和TPA极差逐渐变大。

2.2 不同切点与采样间隔下3～4岁儿童的身体活动测评情况

以往比较儿童身体活动测评情况在不同切点与采样间隔下的差异时，容易忽略具体校验时对儿童年龄的严格限制（Colley et al.，2014；Scott，2015；Vale et al.，2009）。本研究以切点建立时所含对象的年龄范围为依据，对5～6岁学龄前儿童的国内切点适用性进行了探究。然而，5～6岁儿童的相关结果不一定适用于3～4岁儿童。对于3～4岁儿童主要有4个切点：Pate切点、Siard切点、Buttle切点和ButtleVM切点。本研究按照上述对5～6岁儿童的探究思路对3～4岁儿童不同切点与采样间隔条件下的差异进行探究，结果相近（表4）。

表4 不同切点与采样间隔下3～4岁儿童身体活动的测评情况Table 4 Evaluation of Physical Activity of Children Aged 3 to 4 Years under Different Cut-Points and Sampling Intervals

同一切点条件下，以1 s采样间隔为参照，SB随着采样间隔的增加而下降（η2=0.83～0.96），TPA随着采样间隔的增加而上升（η2=0.83～0.96），但Sirard切点随着采样间隔的增加SB先减后增而TPA先增后降，变化幅度相比其他切点均较小；以1 s采样间隔为参照，LPA随着采样间隔增加而上升（η2=0.69～0.94），MVPA随着采样间隔的增加而下降（η2=0.81～0.93），但Pate切点随着采样间隔的增加先增后降，且相比其他切点变化幅度较小。

同一采样间隔条件下，采用7个切点测量的SB（η2=0.95～0.96）、LPA（η2=0.96）和 TPA（η2=0.95～0.96）之间均存在显著性差异；除30 s以及60 s采样间隔时ButtleVM切点和Buttle切点外，本研究其他切点测评的MVPA之间均存在显著性差异（η2=0.81～0.89）。

随着采样间隔的增加，不同切点评估的MVPA最大值和最小值之差即极差逐渐变小，SB、LPA和TPA极差却逐渐变大。

2.3 不同切点与采样间隔下的5～6岁儿童身体活动推荐量满足情况

MVPA推荐量满足情况随着采样间隔变长而下降，但李堃切点（0～5.1%）和Sirard切点（0～1%）由于测量数据过低，均未达到推荐量；TPA推荐量满足情况随着采样间隔变长而上升，但Cauwenberghe切点（0～0.5%）和Sirard切点（0～0.5%）由于测量数据过低，均未达到推荐量，ButtleVM切点测量数据由于测量数据过高均达到推荐量（98.5%～99.5%）（表5）。

表5 不同切点与采样间隔下的5～6岁儿童体力活动推荐量满足情况Table 5 Recommended Amount of Physical Activity for Children Aged 5 to 6 Years under Different Cut Points and Sampling Intervals

2.4 不同切点与采样间隔下的3～4岁儿童身体活动推荐量满足情况

MVPA推荐量满足情况随着采样间隔变长而降低，TPA则随采样间隔减短而提高。MVPA满足量由高到低依次为ButtleVM切点、Pate切点、Buttle切点和Siard切点。TPA满足量由高到低依次为ButtleVM切点、Buttle切点、Pate切点和Siard切点（表6）。

表6 不同切点与采样间隔下的3～4岁儿童体力活动推荐量满足情况Table 6 Recommended Amount of Physical Activity for Children Aged 3 to 4Years under Different Cut Points and Sampling Intervals

3 讨论与分析

3.1 活动强度分界值的选择问题

基于加速度计的身体活动强度分界值通常是由ROC曲线切割出个体运动能量消耗状况和加速度计监测的活动计数值的最佳临界值获得。加速度计监测个体活动的计数值是客观固定的，活动强度分界值的变化主要取决于个体运动能量消耗的评估状况。换言之，基于加速度计的身体活动强度分界值问题从根本上是人体运动能量消耗测量的方法学问题。个体能量消耗测量的方法有很多，如双标水技术、心率记录法、气体浓度呼吸测量法、室内量热法等，甚至加速度计本身也逐步成为个体能量消耗测量的方法之一。这些方法各有其优缺点，导致基于这些方法建立的切点具有不同的特征。

早期的Sirard切点虽然没有直接运用上述技术与方法，但是该切点的校验工具——CARS的效度估算是基于人体运动能耗建立的。CARS将儿童活动分为5个等级：水平1为休息，水平2为低速或低强度活动（容易），水平3为中速或中等强度活动（难度适中），水平4为中高速或中高强度活动（有一定难度），水平5为高速和极速或高强度和超高强度活动（费劲和非常费劲）；水平1活动代表安静代谢率，水平2至水平5代表能量消耗情况的依次提升。CARS自提出后得到广泛的运用，且被证明与个体实际的能量消耗状况显著相关（Finn et al.，2000）。然而，从校验工具等级来说，CARS的科学程度最低，在实际运用过程中可能会受到观察者主观偏向的影响。从本研究来看，7个切点中，Sirard切点评估的SB是最高的，评估的MVPA和TPA却是最低的，3～4岁儿童LPA最低水平基本也为Sirard切点。相应地，不同采样间隔条件下，Sirard切点评估的MVPA和TPA推荐量满足率基本为0，说明Sirard切点在身体活动和静坐行为中易出现极端现象（地板效应或天花板效应）。Sirard切点在早期没有单独的学龄前儿童切点时的确具有一定的积极作用，但从目前测评情况来看不提倡选用Sirard切点。Cauwenberghe修订和完善了CARS，并以此为工具在更丰富的活动类型基础上建立新的学龄前儿童切点。李堃等（2017）以Cauwenberghe修订后的CARS为校验工具，结合心率记录法建立了我国学龄前儿童切点。从本研究来看，Cauwenberghe切点和李堃切点尤其是李堃切点评估的身体活动水平出现极端现象的频率相比Sirard切点明显减少，与纯粹采用客观测评工具为校验工具的切点相比，其差异变小。总之，Sirard切点、Cauwenberghe切点和李堃切点三者属于同一类切点，后两个切点相比Sirard切点在类型或校验手段上更加丰富，评估的准确度更高。

Pate切点运用气体浓度呼吸测量法建立了学龄前儿童的身体活动强度分界值，它是第一个采用客观测评工具作为校验工具的学龄前儿童切点。当前国内研究大多选用Pate切点作为学龄前儿童身体活动强度的最佳临界值（方慧等，2018；路飞扬，2014；全明辉等，2017；赵广高等，2017，2019；赵星等，2016；Fang et al.，2017；Quan et al.，2018，2019；Xu et al.，2018），主要基于以下理由：1）Pate切点将加速度计所得计数值与耗氧量进行相关，校验工具更加客观、科学（赵星等，2016）；2）通过甄别与比较学龄前儿童身体活动测量方法学综述，相比其他切点，Pate切点更具适用性（赵广高等，2017；全明辉等，2017；Quan et al.，2018，2019；Xu et al.，2018）；3）相比其他切点，Pate切点在世界范围内被引用次数最多（全明辉，2015）；4）选用Pate切点监测学龄前儿童的身体活动水平，可以保证研究的准确性及与同类研究的可比性（方慧等，2018；Fang et al.，2017）。现有研究虽然均选用Pate切点监测学龄前儿童的身体活动水平，但在运用方式上并不一致，其中有两位学者（路飞扬，2014；赵星等，2016）选用Pate切点的所有强度分界值，其他研究虽选用了Pate切点的MVPA强度分界值却没有选用其SB和LPA强度分界值，而选用的是Treuth切点和Evenson切点的SB与LPA强度分界值。原因可能是发现单独采用Pate切点时LPA数据或TPA结果存在明显异常。具体来说，利用Pate切点分析我国学龄前儿童身体活动水平时，LPA小于或略高于MVPA，不符合国际公认的学龄前儿童身体活动以LPA为主的身体活动特点，由此导致TPA推荐量满足情况很低。因此，当前研究MVPA时可选用Pate切点，但要全面探究不同强度身体活动或静坐行为时不建议使用该切点。

近年来，国内有研究认为应选择Buttle切点作为学龄前儿童身体活动强度的最佳临界值（徐凤娅，2017）。与Pate切点相比，Buttle切点出现时间较晚。Buttle等（2013）系统运用室内量热法、双标水法和心率记录法等校验了学龄前儿童身体活动的强度分界值，校验手段丰富，生态效度高。但有研究持不同意见，认为应该选用ButtleVM切点而不是Buttle切点，因为三轴的综合向量（vector magnitude，VM）比垂直轴能更好地测量学龄前儿童的身体活动（王玉龙，2019；杨文贤等，2019）。从本研究来看，不同强度PA在ButtleVM切点上均是最高的，相反SB在ButtleVM切点上均是最低的，从而佐证了这一观点。然而，ButtleVM切点在TPA推荐量上呈现天花板效应，参与测试的学龄前儿童均达到相应的推荐量，不利于在实践中有效辨别学龄前儿童的身体活动水平，未来要加以注意。另外，部分研究虽然使用加速度计对学龄前儿童身体活动特征进行探究，但没有报告其选用的切点（罗冬梅等，2019a，2019b；庞家祺等，2014；屈莎等，2016）。可见，国内研究基于加速度计对学龄前儿童身体活动进行研究时，在切点选择上并不一致，甚至有些研究尚未认识到切点对身体活动数据采集的影响。

因此，有必要在已有研究的基础上，从实用主义角度出发，对这些切点在国内的适用性进行探究，更好地推动以加速度计为测评工具的相关研究的发展。具体来说，可以从以下4方面考量：1）LPA要显著大于MVPA。对学龄前儿童公认的身体活动特点要予以优先考虑，如果身体活动切点测量出的数据LPA十分接近或小于MVPA，则应当予以排除。从本研究来看，可排除Sirard、Pate和Cauwenberghe切点。2）为了更好地辨别学龄前儿童不同水平的身体活动，应尽量选择身体活动测量水平区分度好的切点，避免选用易出现天花板效应或地板效应的切点。从本研究来看，可排除SB、MVPA和TPA中的Siard切点和ButtleVM切点、LPA中的ButtleVM和Cauwenberghe切点。3）要优先选择更加严谨的方式，如间接测热法校验的切点。以此为据，建议开展研究时选择Buttle切点、Evenson切点或Pate切点。4）要优先选择专门针对学龄前儿童尤其是国内学龄前儿童为研究对象的切点。以此为据，建议选用Buttle切点和李堃切点。总之，基于上述4个要点和国内研究的切点运用情况，本研究推荐在我国学龄前儿童研究中使用Buttle切点，其对上述4个条件的满足程度最佳。

3.2 采样间隔的选择

加速度计记录的是一定采样间隔时间内的加速度计数。较长的采样间隔相比较短的采样间隔会将采样时间段内的高强度身体活动和低强度身体活动进行平均，从而把儿童的高强度身体活动错划为低强度身体活动（贺刚等，2011）。综观采样间隔选择发展史，其显然是由长到短的发展史，从最初的60 s到如今的1 s，跨越了完整的采样间隔区间。目前，在学龄前儿童中应选用较短的采样间隔，基于MVPA对健康的效益基本已得到公认，而以更短的采样间隔可以发现更多的MVPA。研究发现，同一切点条件下，3 s采样间隔监测的MVPA比15 s、30 s和60 s采样间隔分别高2.9 min、9.0 min和16.7 min（Obeid et al.，2011），5 s采样间隔监测的MVPA比60 s采样间隔高17 min（Vale et al.，2009）。

然而，当前较短的采样间隔焦点主要集中于15 s和5 s以下。1）有研究认为应选用15 s采样间隔（罗冬梅等，2019a，2019b；赵星等，2016）。选择15 s的理由之一是学龄前儿童切点建立时的采样间隔即15 s，后续亦应选用15 s采样间隔（赵星等，2016）。另一个非常重要的理由可能是依据以往文献的选用情况而定。学龄前儿童身体活动测量方法学综述表明，选用15 s采样间隔和选用60 s采样间隔的比例一样多，均为42.9%（Cain et al.，2013）。2）还有研究认为应选用5 s以下采样间隔，尤其是1 s（方慧等，2018；赵广高等，2017，2019；Fang et al.，2017；Quan et al.，2018，2019；Xu et al.，2018）。学龄前儿童采样间隔的选择，实质是对学龄前儿童身体活动时间特征规律的把握和尊崇。只有充分解析学龄前儿童身体活动的时间特征，才能综合确定最适宜的采样间隔。以此为据，有研究以客观测量的学龄前儿童身体活动水平为基础，分析了不同持续时间或其占总活动时间的比例，从而掌握学龄前儿童身体活动的簇集特征。结果发现，学龄前儿童身体活动以持续时间较短的零星活动为主，建议学龄前儿童身体活动，尤其是MVPA，宜采用较短的采样间隔，如3 s或更短时间（全明辉等，2020）。

从本研究来看，学龄前儿童SB、MVPA随着身体活动采样间隔的增加而减少，LPA和TPA则随着采样间隔的增加而增加。5 s或5 s以下的采样间隔虽然提高了学龄前儿童MVPA的监测水平，却严重低估了学龄前儿童的TPA水平，实质是低估了LPA水平。由此在分析身体活动对学龄前儿童身心健康的效益时，往往只能发现MVPA的效益，相对低估LPA对学龄前儿童身心健康效益的实际价值。对于SB则相对被高估，由此可能导致关于学龄前儿童SB水平过高的系列研究以及过分夸大SB的负面健康效益，究其原因可能是选用了较短的采样间隔。这就意味着，虽然5 s或5 s以下的采样间隔毫无疑问能准确测评学龄前儿童的MVPA，但可能大大降低SB、LPA测评结果的准确性。从这一角度来看，15 s采样间隔虽然使MVPA的测评结果受到一定的影响，但总体来说，其测评效率更高，也更准确。另外，从逻辑上和更看重MVPA结果同时兼顾TPA的角度来分析，10 s采样间隔似乎优于15 s采样间隔。然而相关研究表明，10 s采样间隔在2005—2010年尚未得到相关研究的关注与运用，在0～6岁儿童中运用的比例为0，远远低于15 s采样间隔42.9%的运用比例（Cain et al.，2013）。基于此，本研究以该研究方法进一步检索了2011—2019年9月的国内外文献，仅发现1篇硕士学位论文运用了10 s的采样间隔（Scott，2015）。因此，本研究建议应优先选择与切点建立时相同的采样间隔，即15 s，以保证不同强度身体活动和静坐行为测量结果的全面准确性，进而便于不同研究之间进行比较。当然，以往研究中较少运用10 s采样间隔并不是后续测评中不加以运用的充分条件，一个不常用的采样间隔被接受可能需要一个长期的过程，未来研究可尝试进一步解析10 s采样间隔在学龄前儿童身体活动强度测评中的适用性，以更好地促进学龄前儿童身体活动测评方法的发展。