基于K-means聚类分析的婴幼儿睡眠模式及与母乳喂养关系的研究

梁雅丽 马洁 张裕晓 张敏 何海燕 王守桂 黄月娥

（1.皖南医学院公共卫生学院，安徽芜湖 241002；2.芜湖市妇幼保健计划生育服务中心（芜湖市妇幼保健院），安徽芜湖 241000）

睡眠与婴幼儿身体状况、认知、行为和情绪的发展关系密切［1-2］。影响婴幼儿睡眠的因素较多，已有研究提示喂养方式与婴幼儿睡眠相关，但结论尚存在争议。Huang 等［3］研究发现，配方奶粉喂养的婴儿比母乳喂养者睡眠时间长，但也有研究发现，尽管母乳喂养的婴儿夜醒次数较多［4］，但睡眠时间并不减少［5］。还有研究提示出生6 个月后2 种喂养方式婴儿的夜醒次数无明显差别［6］。

目前关于婴幼儿睡眠的研究，主要集中在对孤立的睡眠特征进行探讨，并不能反映睡眠的多维性，有必要采取一种更全面的探讨模式，将这些孤立的特征综合分析。同时婴幼儿睡眠需求存在高度个体差异，对于婴幼儿睡眠的研究还应关注此特点。K-means聚类分析是一种无监督的机器学习算法，可综合研究对象的多个特征（定量变量）进行相似性分析，即可实现研究对象多特征整体分析，也可实现在变异大的群体内划分出性质更接近的亚群。在临床上对成人睡眠分期的判定，K-means聚类分析已成为睡眠状态诊断的有效辅助方法［7］。在青年运动员睡眠亚类的识别中，K-means聚类分析有助于教练全面发现运动员的睡眠问题，制定针对性的干预策略［8］。但目前该方法尚未应用到婴幼儿睡眠领域，为此，本研究通过K-means聚类分析识别婴幼儿睡眠的典型类别及各类特征，为后期开展契合婴幼儿睡眠特点的促进措施提供依据。同时探讨睡眠类别与喂养情况的关系，由于聚类内研究对象的同质性更高，分析结果更为可靠，为深入阐明母乳喂养与婴幼儿睡眠的关系提供证据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选择2021 年4～6 月在芜湖市妇幼保健院、无为市社区卫生服务中心儿童保健门诊进行常规体检的7～35 月龄婴幼儿作为研究对象。纳入标准：（1）足月单胎儿；（2）自然受孕；（3）Apgar 评分＞7分。排除标准：体格检查异常者。共计1 148名婴幼儿纳入最终分析。本研究已征得家长知情同意，并通过了皖南医学院伦理委员会批准。

1.2 资料收集

采用自制问卷收集儿童的年龄、性别、出生方式、室外活动时间、每日看手机或电视的时间、母亲文化程度、母亲生育年龄、家庭类型及家庭人均月收入。

1.3 简明婴儿睡眠问卷

简明婴儿睡眠问卷（Brief Infant Sleep Questionnaire，BISQ）广泛应用于0～3 岁婴幼儿睡眠情况的调查［9］。依据监护人对婴幼儿近2周睡眠情况的描述，记录婴幼儿的睡床情况、就寝时间、入睡潜伏期、睡眠时间、夜醒次数、夜醒时间等内容。依据我国《0 岁～5 岁儿童睡眠卫生指南》［10］，通过评价就寝时间（不晚于21∶00）、入睡潜伏期（≤20 min）、睡眠时间（不超出对应年龄段的推荐睡眠时间）等指标，判断婴幼儿的睡眠模式是否存在异常。各年龄段的推荐睡眠时间：4～11 月 龄 者 为12～16 h；12～35 月 龄 者 为11～14 h［10］。

1.4 喂养情况问卷

参照张红等［11］及叶奥星等［12］的调查条目设计问卷，包括2部分：（1）生后6个月内的喂养方式：纯母乳喂养（仅以母乳作为食物）、混合喂养（指当母乳不足时，辅以奶粉或其他代乳品补充喂养）和人工喂养（仅喂养婴儿奶粉或其他代乳品）。（2）母乳喂养时间：根据生后6 个月内母乳喂养的累计时间计算，具体计算方法及赋值如下：纯母乳喂养赋值为1，人工喂养赋值为0。对于混合喂养者，取各组的组中值赋值，即高比例母乳喂养（母乳≥80%）赋值为0.90，中比例母乳喂养（母乳占20%～79%）赋值为0.50，低比例母乳喂养（母乳＜20%）赋值为0.10。如某婴儿1～3 月龄为纯母乳喂养，4～5 月龄为低比例母乳的混合喂养，6月龄为人工喂养，最后此婴儿的母乳喂养时间为3×1+2×0.10+1×0=3.2个月。

1.5 质量控制

根据预调查的结果及时调整问卷，确定最终调查方案。正式调查前，对相关的儿童保健医生及护士进行统一培训。调查表采用EpiData 软件双人录入。

1.6 统计学分析

使用SPSS 23.0 及R 3.6.1 统计软件进行数据分析及绘图。定量资料服从正态分布时采用均数±标准差（±s）描述，多组间比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用SNK-q法；定量资料不服从正态分布时采用中位数和四分位数间距［M（IQR）］描述，多组间比较采用Kruskal-WallisH检验，组间两两比较采用Bonferroni 法。定性资料采用例数和构成比（%）描述，多组比较采用χ2检验，组间两两比较采用Bonferroni 法。K-means 聚类算法用于识别婴幼儿的睡眠模式。K-means聚类算法具有简单高效、易于实现、对大数据的聚类效果明显等优点，是较为常用的聚类分析方法。该算法的基本思想为：（1）把所有对象随机分配到k个非空聚类中，计算每类的初始聚类中心；（2）计算每个对象到这k个聚类中心的欧式距离，根据距离最小原则，将对象重新分配到新的聚类中；（3）计算新分配聚类的聚类中心；（4）循环步骤（2）和步骤（3），直至算法收敛。多因素分析采用无序多分类logistic 回归分析模型。Bonferroni 法以P＜0.0167 为差异有统计学意义，余统计学检验以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 婴幼儿睡眠模式聚类结果

选取BISQ中的全部定量指标（白天睡眠时间、夜间睡眠时间、全天睡眠时间、入睡潜伏期、夜醒次数、夜醒时间和夜间就寝时间），将该7 个指标标准化后做肘形图以确定K-means聚类分析的最佳聚类数（图1A），最终确定为3 个聚类。Kmeans 聚类分析发现夜醒次数对聚类无效应（F=1.733，P=0.177），剔除该变量，最终的聚类中心结果见表1、图1B。聚类1 有191 名（16.64%）研究对象，表现为就寝时间早、睡眠时间长、夜醒时间较长；聚类2 有598 名（52.09%），表现为入睡潜伏期短、睡眠时间中等、夜醒时间最短；聚类3 有359 名（31.27%），表现为就寝时间晚、入睡潜伏期长、睡眠时间短、夜醒时间较短。

表1 婴幼儿睡眠K-means聚类分析的聚类中心

图1 婴幼儿睡眠聚类分析

依据《0 岁～5 岁儿童睡眠卫生指南》［10］的标准，判定聚类1和2为正常睡眠模式，占总调查对象的68.73%（789/1 148）。聚类3 为多种睡眠问题的集合，主要包括入睡潜伏期＞20 min，就寝时间晚于21∶00，总睡眠时间不足11 h，此聚类判定为睡眠障碍模式。

2.2 不同睡眠聚类的婴幼儿一般特征分析

聚类1 的婴幼儿年龄最小，其次为聚类2，聚类3的年龄最大，差异有统计学意义（P＜0.0167）。聚类1 的婴幼儿同床睡眠情况比例低于聚类3（P＜0.0167）。聚类1中5.2%的婴幼儿看电视或手机时间≥1 h/d，远低于聚类2 的15.6%及聚类3 的22.6%（P＜0.0167）。其余变量均未发现在不同睡眠模式中分布差异有统计学意义（P＞0.05）。见表2。

表2 不同睡眠聚类的婴幼儿一般特征分析

2.3 不同喂养方式及不同母乳喂养时间婴幼儿的睡眠聚类的差异分析

聚类1 中仅有3.7%的婴幼儿是人工喂养，低于聚类2 的10.2%和聚类3 的10.3%，差异有统计学意义（P＜0.0167）。母乳喂养时间并未发现与婴幼儿的睡眠模式有关（P=0.097）。见表3。

表3 不同喂养方式婴幼儿的睡眠聚类差异分析 ［n（%）］

2.4 喂养方式及母乳喂养时间与婴幼儿睡眠模式的相关分析

多因素logistic 回归分析中，睡眠模式为因变量（以模式1，即聚类1为参照），喂养方式及母乳喂养时间为自变量，表2中单因素分析有意义的变量（年龄、睡床情况及看电视或手机时间）作为控制变量。结果显示，母乳喂养和混合喂养的婴幼儿相较于人工喂养的婴幼儿，更倾向于就寝时间早、睡眠时间长的睡眠模式。与人工喂养相比，纯母乳喂养的婴幼儿可降低69%睡眠障碍模式（聚类3）的发生风险和75%睡眠模式2（聚类2）的发生风险，混合喂养者可降低60%睡眠模式2的发生风险（表4）。进一步分析生后6个月内母乳喂养时间与婴幼儿睡眠模式的关系发现，母乳喂养时间与模式1或模式2此类正常睡眠模式的发生无关，但母乳喂养时间达到4～6个月的婴幼儿，相较于母乳喂养1～3个月者，可降低40%出现睡眠障碍模式的发生风险（表5）。

表4 喂养方式对婴幼儿睡眠模式影响的logistic回归分析

表5 母乳喂养时间对婴幼儿睡眠模式影响的logistic回归分析

3 讨论

本研究发现7～35 月龄的婴幼儿睡眠状况可聚为3个典型的类别，聚类1为就寝时间早、睡眠时间长；聚类2为入睡潜伏期短、睡眠时间中等；聚类3为就寝时间晚、入睡潜伏期延长、睡眠时间不足。聚类3占总调查对象的31.27%，是多种睡眠问题的集合。

聚类3的婴幼儿年龄最大，睡眠时间最少，虽然随着儿童年龄的增长，睡眠需求量呈下降趋势，但该聚类的婴幼儿24 h 总睡眠比此年龄段的推荐睡眠少0.11 h，睡眠不足与肥胖、情绪调节能力差、生长异常和较高的伤害风险等多种结局相关［13］。其次，聚类3 的婴幼儿与父母同床睡眠比例最高，父母的入睡时间晚、睡眠不规律及入睡后使用电子产品等都可能会影响儿童的睡眠［14］，后期需要针对父母就寝习惯对儿童睡眠模式的影响做进一步研究。另外，婴幼儿的此睡眠模式可能与视屏行为相关，研究显示视屏时间≥1 h/d儿童的就寝时间更晚，入睡潜伏期更长，夜间睡眠时间更短［15］。本研究也发现聚类3 的婴幼儿看电视或手机的时间≥1 h/d者占比最高。这可能是由于看电视或手机使儿童的自主兴奋性增高，同时屏幕的蓝光抑制褪黑素的分泌，改变昼夜节律和觉醒，进而影响儿童的睡眠时间和睡眠质量。简言之，婴幼儿的年龄、睡床方式及视屏时间可能是决定其睡眠模式的重要个体因素。

本研究进一步分析喂养方式和母乳喂养时间与儿童睡眠模式的关系，结果显示生后6个月内的纯母乳喂养率为12.89%，略高于前期马鞍山市的调查结果［12］，但仍低于全国最新调查的生后6 个月内婴儿纯母乳喂养率［16］，这种差异可能与调查方法有关。喂养方式独立于其他社会和人口学特征，与婴幼儿的睡眠模式相关。纯母乳喂养的婴幼儿相较于人工喂养的婴幼儿，更倾向表现为就寝时间早、长睡眠的模式（模式1），这与新加坡最新的研究结果相一致［17］，且纯母乳喂养明显降低睡眠障碍模式的发生风险，并且母乳喂养时间越长其保护效应越明显。目前，研究提示母乳喂养可促进婴幼儿睡眠，甚至有研究发现在生后6个月内的纯母乳喂养时间与儿童期的睡眠状况仍有关联。这可能与纯母乳喂养促进婴儿睡眠节律的建立相关，纯母乳喂养的婴儿在生后第2～3周开始获得昼夜节律，而混合喂养的婴儿直至生后第6周昼夜节律还未显现［18］。这可能由于母乳的营养成分存在昼夜变化，通过这种改变将一天中的时间信息传递给婴儿，对婴幼儿的发育起到了生物钟的作用［19］。已有研究证明母乳中皮质醇和褪黑素具有昼夜变化，白天母乳中皮质醇水平较高，有助于提高婴儿的警觉性、喂养行为和分解代谢；夜间母乳中褪黑素水平较高，能够促进婴儿的睡眠［20］。母乳中营养成分的这种变化是配方奶粉无法实现的。其次母乳喂养可通过增加母亲与婴儿之间的皮肤与皮肤接触，有利于婴儿形成更有序的睡眠-觉醒周期及更长时间的夜间睡眠［21-22］。

综上，本研究通过K-means聚类对婴幼儿睡眠的多个维度进行综合分析，丰富了研究婴幼儿睡眠的方法。本研究发现婴幼儿表现出3类典型的睡眠模式，其中以就寝时间晚、入睡潜伏期延长、睡眠时间不足为主要睡眠模式特征的婴幼儿应作为未来干预的重点人群，此类婴幼儿可能同时存在多种睡眠问题，需进行多方位综合干预，如：与父母分床睡眠；固定就寝时间，且不晚于21∶00；睡前活动基本保持一致，时间不宜超过20 min；入睡前尽量不看手机或电视等电子产品。其次，本研究还发现母乳喂养可降低婴幼儿睡眠障碍模式的发生，但目前母乳喂养率较低，未来还有待通过建立多方面支持体系，进一步提升母乳喂养水平，促进儿童身心健康发展。由于本研究为横断面调查，仅采集了婴幼儿睡眠的时点数据，后期还需开展前瞻性研究以发现这种睡眠模式的动态变化，进一步阐明母乳喂养促进婴幼儿睡眠的内在机制。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。