加速度计在身体活动测量中的应用研究

蒋笑然孙建刚张蒙蒙

（1.皖西学院体育学院 安徽 六安 237012；2.北京市第四中学顺义分校 北京 101318）

身体活动（Physical Activity，PA）对健康的促进效应已得到证明，PA不足被认为是诱发健康问题的关键因素之一。在全球肥胖、二型糖尿病和其他非传染性疾病发病率不断增加的背景下，对人们PA的调查与干预显得极为重要，因此PA测量方法和工具的研究一直是健康促进领域的重要研究议题。此领域的研究内容具体是通过对代表性人群的行为和关键相关因素进行调查，并制定相应干预计划促进健康目标的实现。主观法测量PA的相关研究数量众多、覆盖较广，在多数PA测量中，自我报告法仍然是主要测量工具，尤其是关于PA与静态行为的调查，大多依赖于比较成熟的主观问卷测量法。目前已有80多个国家以国际身体活动问卷（Global Physical Activity Questionnaire，GPAQ）为 PA 测量工具建立了健康调查与促进体系。但在实践中，因为PA的偶发性、异质性和复杂性，使用问卷法测量PA存在较大的技术难度，信效度不高一直是难以解决的问题。

随着科学技术的进步，加速度计在健康研究中的应用越来越多。加速度计是目前较为成熟的运动传感器之一，通过感应水平、侧面和垂直方向的加速度值来推算身体活动的时间和强度。它的体积小，重量轻，可以连续几天甚至一个月贴身佩戴，获取三个轴向的人体运动加速度数据。加速度计与PA测量表现出了高度的契合，它的出现被认为是从自我报告法以来PA测量领域最具实质性的进步。

当前加速度计的应用中研究者们往往将注意力集中于设备的测量精确性方面，而对具体操作过程知之甚少。而研究结果的科学性不仅取决于测量工具的准确性，还会受到研究设计、操作过程等因素的影响。研究者在何种情况下可以选择使用加速度计？该如何操作？这些都是影响研究结果科学性的潜在问题，这些问题的解答对于推动相关研究进步具有积极意义。因此，本研究从设备自身、操作方式与研究对象个体差异等面探讨加速度计用于PA测量中应注意的问题及相应建议，为今后想要以加速度计为测量工具进行的相关研究提供建议和帮助。

1、问题分析

1.1、设备因素影响

（1）适用范围。

加速度计测量PA时并不能覆盖所有运动项目的所有信息。很多加速度计不能准确获取骑行、滑行（溜冰）和抗阻运动等PA的数据，如，加速度计测量骑行时获取的数据约低于真实值73%，这样的限制性，可能对一些骑行比较流行的地区和国家，如，中国、丹麦和荷兰等国家人群的PA的测评方面带来影响。同时，加速度计一般不具有防水功能，不能对水上项目进行测评。力量练习（抗阻运动）对于人们的体质健康存在重要影响，但是加速度计不能提供力量练习的数据，这一指标的缺失会对PA与健康关系的研究存在较大影响。此外，加速度计目前还不能计算个体在爬坡时的额外能耗，还容易将人体重心的连续颠簸（例如，乘车）误认为是体育锻炼。所以说，目前加速度计目前仍不能覆盖所有的运动项目，目标人群从事运动项目的习惯会对加速度计的测量结果产生影响。

从PA信息综合性需求角度出发，加速度计不能覆盖所有的PA信息。PA研究中有时需要对PA的类型（如，工作、通勤、家务和娱乐）或运动项目（如，骑行、跑步、游泳）以及与PA相关的因变量（如，人际社会关系、环境和政策制度因素）进行测量与记录。虽然加速度计在运动模式识别方面有了一定的发展，但是它仍然不能做到对以上信息的全覆盖。所以，从PA测评体系的信息综合性角度出发，信息更加全面的自我报告法仍然是有需求的。当然，加速度计的出现仍是一种进步，它可以对较长时间的PA进行描述，而大多数自我报告很难实现这一点。一些加速度计模式还可以评测睡眠周期，这些数据对于描绘总体的日常活动图谱来说很有帮助。只是因为加速度计的项目与信息覆盖性存在限制，我们在PA调查中不能过度依赖单一的加速度计。

（2）升级更新。

当研究工具和研究方法进步和改良时，为保持测量数据的可比性、长期性和延续性，理应保持当初的测量模式和操作过程不变。但要研究者为此而放弃使用新技术，无疑是一个挑战。例如，在研究中，起初使用的是佩戴在髋关节的加速度计，但为了增加对睡眠时间进行测评的研究需求，同时为了改善参与者的舒适性与依从性，出现了更加便捷的，佩戴在手腕的加速度计。若研究者顺应技术进步，改变了佩戴位置，那么佩戴在新位置获取的数据是否能够跟之前的数据进行对比就存在很大的疑问。虽有研究说，两个同样佩戴在髋关节的不同品牌加速度计之间的研究结果具有可比性和一致性，但是不同佩戴位置的加速度计的测量结果是否具有可比性却不能确定，这很有可能会影响PA趋势调查的研究结果。所以说，技术变革导致的某些变化有可能使得研究结果的延续性大打折扣。换而言之，随着加速度计技术不断在提高，保持加速度计初始操作或调查模式的恒定与统一是非常困难的。

从另一角度看，同一生产商生产的不同代次的加速度计的研究结果是否具有可比性，目前也不能确定，多数研究对此问题的讨论也比较含糊。在长期的持续多年的PA监控中，当加速度计因丢失或损坏而需要补充，但生厂商可能不再提供过去的模具或模式。所以想利用固定不变的加速度计进行统一标准化的监控，设备供应的可持续性也是个问题。所以，因生产厂商变更或设备升级而需要更换加速度计品牌也需要面对上一个问题：使用不同品牌加速度计获得的数据能不能直接对比。由此看来，对PA趋势的调查研究很有可能因为产品生产的中断而受到影响。

任何加速度计设备的改良和升级都需要对新设备模式进行广泛的测试才能用于实际测评。但实际情况往往是在旧的加速度计模型尚未彻底的调查证实之前，新的加速度计模式似乎就已经在销售和推广。当然，很多加速度计技术的改良，对于PA调查来说是非常有益的，但研究者们对于未经检验的新技术应保持理性与谨慎。我们在选择和使用加速度计时，需要考虑PA调查中使用的加速度计的科学性，它是否已经被广泛地证实或认可。应选择一款技术相对成熟稳定且具有一定升级空间的加速计，通过一些小的调整就可以跟得上技术、科技和社会的进步或变革，在做出这些调整后，新旧数据的可比性不受影响或影响较小。在出现颠覆性技术之前，建议研究者们尽量不要更换设备或者更改研究模式。

（3）成本造价。

使用加速度计测量PA，成本较高，研究者和佩戴者要承受一定压力。操作方面，研究者需要分发和回收、初始化和校准设备，还需要储存和处理数据。参与者需要负责更换或重置电池，配合更换损坏的设备，这些负担一定程度上会造成PA调查参与率的降低，进而影响PA调查结果。成本方面，使用加速度计进行PA测评的成本相对问卷法来说要高很多。虽然自1930年以来加速度计的价格下降了很多，但目前符合PA研究标准的加速度计价格仍然很高（Activgraph GT3+为例，单价约3000元）。对PA进行调查时，如果在加速度计购买方面花费过多的资金势必会压缩其他部分的投入，例如，方针政策、锻炼环境、硬件和基础设施方面的调查必将会受到影响。也就是说，如果单纯地增加加速度计方面的投入可能会使得PA行为方面的数据更加有效和可靠 （但这种提升幅度仍无定论），但是可能会导致丢失PA行为的背景因素和相关因变量数据。所以，建议只有当PA调研资金十分充足的时候才考虑加速度计方面的投入。研究表明，在周期较长的PA测量研究中，成年人群设备丢失的情况约为（2%-8%）青少年（高达21%），一方面造成数据的缺失；另一方面设备的补充与更换对研究者来说也是巨大的经济负担。虽然在大样本调查层面上，基于问卷的研究数据丢失率和无效率要比加速度计更高。但加速度计还面临另外两个问题，若有数据丢失，那么在计算每天的PA均值时究竟是补齐数据还是直接删除数据？异常数据的筛查该如何建立才能更合理？使用加速度计调查，面临的不仅是经济压力，还有参与者数据收集的压力，研究者在选用加速度计时要尽量做好预算与各项应对措施。

1.2、操作因素影响

（1）佩戴模式。

加速度计的不同佩戴位置和时长都会对研究结果产生较大影响。如前文所述，加速度计佩戴位置会影响加速度计的信效度，而且佩戴的时长也会对研究结果产生影响。一方面，加速度计的佩戴位置可以决定和解释62%的AEE，佩戴在身体左右侧的加速度计测量结果也存在差异性；另一方面，不同的佩戴时长也会对研究结果产生影响。在使用加速度计测量日常PA时，通常会要求参与者在清醒状态下连续佩戴7天加速度计，但到底需要佩戴多少天仍存在争论。目前在日常PA调查中被普遍认可的佩戴要求为，连续佩戴4天（4天须属于同一周），每天至少佩戴10h且至少有一天是周末，若对工作日单独调查，工作日PA的测量则应不低于3天。但在人口学水平的研究中，约有20%满足不了这个标准。Clemes et al.的研究发现，使用加速度计测量日常PA时，第一周的PA与第二周的PA存在显著差异，但在现实中，很少有研究会测量一周以上的数据。另外，人们的PA模式会受到季节和气候的影响，有研究说为了更准确地掌握个体PA习惯，男性和女性分别需要进行105天和37天的测量监控。如果综合考虑全年季节分散测量，男性与女性的测量日期可降低至16天和12天。以上这些信息意味着，很多基于加速度计数据的研究结果，可能并不具有普适性，其结果仅适用于那些符合相应的测量标准的人群。加速度计的使用不仅要考虑佩戴位置的选择，佩戴时长与周期同样是研究者需要考虑的问题。

在PA及静态行为研究中，研究间的范式统一性与结果的可比性具有重要的潜在价值，这已经成为一种共识。一些问卷法已经发展到经过标准化处理来进行交叉对比的程度。但这些被标准化和验证后的问卷虽然经常被修改或者翻译，但是却往往没有提供更改之后的测量性能和可比性的研究数据。相对而言，由于不存在语言和文化的差异的影响，如果要进行标准化程序操作，使用加速度计进行的国际比较具备更大的潜力。然而，基于加速度计的研究结果取决于众多因素，除上述因素之外，例如，加速度计的硬件版本、滤波器版本、异常数据的处理等都会对研究结果产生影响。使用过程的操作差异、技术的提升与变化、方法论问题等因素共同造成了在研究中加速度计使用的阻碍。Hagstrmer等人提到，假如各国或各地区之间使用了相同的加速度计研究模式，就可以通过对那些经过相同采集程序的原始数据进行重新分析，可以实现更好的对比效果，得出更加科学的判断。所以，在交叉研究对比中，应提倡与鼓励统一的研究模式及建立常模。

（2）切点选择。

基于加速度计的研究中，定义PA的强度最常用的方法就是使用“切点（cut-off）”。加速度计提供的数据是以每分钟的count值呈现，count值是加速度计测量数据的基本单位，本身并没有生理学方面的意义，必须转换为与生理相关的数据类型。通常将不同范围的count值与PA强度对应，这些count值范围的边界对应的就是切点。基于此，加速度传感器结合时间轴能够反映人体运动的强度、周期和频率，对于PA的调查研究具有较大的实践意义。目前，在青少年儿童中运用最广泛的加速度计品牌是ActiGraph，以它为例，它关于MVPA的切点比较多样。多数对健康成年人的研究常用的MVPA的阈值是以Trost et al.计算的标准为主，然而也有相当多的研究正在使用其他一些研究中验证的切点。使用不同的切点可能会导致对PA具体强度水平的估算出现较大的差异，也就是说对切点的选择可以影响PA的估算以及与各种健康结果的关系，因此使用不同切点的研究结果之间的可比性就存在了较大的疑问。在多数PA强度切点校准的研究中，是在特定的运动场景下利用回归方程，计算加速度计counts值与客观测量的EE的关系切点。但是这些方法也存在一些潜在的问题。如，研究对象、运动类型、加速度计品牌、加速度计测量模式的多样性等，这些都是加速度计确定统一切点过程中难以解决的问题。也有一些研究，针对某一人群或某一运动各类型，已经开发和推荐了不同情形下的切点，一些Activgraph加速度计的研究中，对成年人MVPA的阈值为191-3285counts/min（cpm），相对儿童青少年略低；对于 5岁以上的儿童，静态行为≤372cpm；低强度 373-584cpm；MVPA≥585cpm。对于3-5岁的儿童来说，静态行为≤37cpm；低强度38-419cpm；MVPA≥420cpm。对于3岁以下的儿童，静态行为≤301cpm；低强度302-614pm；MVPA≥615cpm，这些划分无疑能够增加加速度计测量的准确性。但也有很多专家曾呼吁不要使用切点，而是建议结合对运动模式的识别来划分中高强度身体活动。随着科技的进步，压阻式和电容式传感器的不断革新，加速度计对重力的感应更加敏锐，为活动类型的判断提供了更多的信息。有研究证明，用佩戴在背部的单个加速度计就可以识别6种不同的活动类型，躺、坐/站、站起、走、跑、骑行。理论上来说，增加身体姿势的信息后，可以促进PA的测评，但目前这样的说法尚未得到有力论证。所以在实际中，使用切点对PA强度水平的估算仍然是主流选择，但我们仍需注意切点的选择问题。

1.3 调查对象影响

（1）算法影响。

运动中的力达到加速度计的阈值之后才会生成测量结果，该力不可避免的受到个体年龄、性别和运动速度等多因素的影响。尽管加速度计已被证明在某些条件下具有较高的信效度，但是对于某些步态异常，如，步幅短、步速异常或激烈奔跑的情况，加速度计的误差会明显增大。在日常行为中，个体不会一直是以固定的速度和稳定的线路行走，因此，测量误差势必会比实验室中的表现更大。

（2）佩戴影响。

在使用加速度计的研究中，参与个体偶尔会有因为美观性和佩戴舒适性问题摘除设备的情况出现。此外，对日常身体活动调查时，通常需要测量长达一整周的时间，对于佩戴者来说确实是一种压力，这一点降低了人们的参与度。但值得庆幸的是，因负担问题而拒绝参与加速度计调查的人群，在社会人口学、生活方式和健康指标方面与参与人群不存在明显的差异。但在结合加速度计与问卷法的研究中，拒绝使用加速度计会降低总体参与度，再加上问卷的回复率问题，可能会进一步损害样本选择和统计效果。

（3）行为影响。

使用客观测量法测量身体活动的主要目的之一就是避免主观法的社会赞许偏差等。但实际上加速度计法偶尔会与社会赞许和期望产生相关。据报道，有40%的青少年因为担心设备的损坏和丢失问题，在佩戴加速度计进行PA时会感到不自然和担忧。而且很多年轻人意识到自己的PA被监测的情况下，行为习惯也可能受到影响而产生变化。霍索恩效应指出，个体因受到研究人员的关注容易增加PA，也被认为是加速度计测量的一个限制性因素，但关于其影响程度的研究较少，结果并不明确。一些关于加速度计对学龄儿童青少年行为干扰程度的研究，得出了不同的研究结果，分别为8%，33%和1%。这3项研究为降低加速度计对个体的干扰程度，使用了不带显示屏的设备或者封闭显示屏的方式进行，尽管如此加速度计的使用还是对参与者的行为造成了影响。相反，Cora Craig对加拿大青少年进行PA研究时未发现这种干扰，这项研究是将第一天与后面临近几天的数据进行对比得出的结论，但加速度计的这种干扰有可能会持续好几天，所以选择第一天跟后面的今天进行数据对比并不一定是合理的。也有研究说设备对成人的干扰相对较低，但是这个领域的证据资料依然有限。

2、结果

2.1、根据项目需求选择

由于加速度计的设计原理，除了不能对水上项目进行测量之外，对人体重心变化较小的活动类型的测量效度也较低，所以加速度计并不能适用所有运动项目。当然也可以通过加速度计与其他传感器结合的联合测量方式，如，结合心率计和GPS，来降低或克服这一限制，如，在骑行时，由于人体重心的变动不大，加速度计对其测量的准确性不高，但其心率与定位位置都已产生较大变化，配合心率计与GPS能够根据这两者的变化共同判断主体的运动情况。因此，多种方法联合测量的方式如可穿戴智能设备，也被认为是一种具有较大发展空间的测量方法。另外加速度计也不能实现对PA背景信息的采集，说明PA研究对于问卷法仍有需求。

2.2、避免设备变更

使用加速度计进行长期测量时需要注意加速度计的技术更新与代次更迭问题。一方面不要轻易改变研究过程中加速度计的品牌型号与佩戴位置，以确保研究的延续性与可比性；另一方面在选择加速度计时应注意生产厂商的背景，尽量选择技术较成熟、发展更稳定的商家，额外购买一些备用设备，避免因无法补充设备带来的数据问题。对于新产品的出现应保持理性，不宜频繁更换设备。

2.3、根据预算选择

使用加速度计可能会给研究者及参与者增加成本及其他负担，这些负担可能会对研究结果产生影响。在研究经费较充足的时候可以考虑使用加速度计，否则可能会导致其他信息调查的缺失。加速度计使用过程中，研究者不但要负责维护设备和保障设备的回收率问题，还需注意与佩戴者进行及时沟通和疏导，了解佩戴者的需求，尽量降低佩戴者的负担。

2.4、遵循研究常模

从佩戴时长与佩戴位置都属于佩戴方式的影响因素，但目前仍缺少关于这方面的统一标准或常模。因此，在使用加速度计测量PA时，不但应注意品牌型号，还须强调和明确加速度计的佩戴时长和佩戴位置。佩戴位置与时长的确定要根据研究对象与研究目的共同确定，同时究研究者在使用加速度计时要尽量寻找权威模式，使研究结果可比性更高的同时更具国际化。PA数据收集后的处理方式也会对研究结果产生影响，所以一方面应选择合适的数据处理方法；另一方面还应做好原始数据的保存，以应对未来变化。

2.5、合理选择节点

切点划分法是PA强度水平估算最常用的方法，强度切点的选择对研究结果具有较大影响。针对不同的人群和PA类型，切点的选择也各不相同，研究中应根据不同的研究对象和研究内容选择不同的切点，切点的选择可以参考认可度较高的标准。PA类型的识别可能对测量有促进作用，但仍需要更多的验证。

2.6、降低主观影响

加速度计不但受到佩戴个体因素的影响，同时也会对个体的PA行为产生影响，两者互相影响。在使用加速度计之前，应尽量掌握被测量个体的基本生理特征和心理特征，对于因个体因素可能导致的干扰制定相关应对策略，如，使用不带显示屏的设备或不采用佩戴前三天的数据等，尽量降低个体与加速度计之间的互相影响。

2.7、其他

加速度计在大量的临床干预的研究中的作用被广泛的认可，但在没有确定标准化或者权威的方案之前，在PA监控体系中使用加速度计需谨慎。基于加速度计的研究结果可能会受到参与者个体因素的影响，个体因素与方法学因素存在交叉关系，加速度计的应用过程中，需对个体因素进行细化或分类分别测量，以降低误差达到最优的测量效果。

加速度计测量PA相较问卷法的可靠性表现更好。加速度计的技术相对成熟、硬件相对稳定，因此同一种加速度计在其他因素变化不大的情况下，其信度表现相对较好且稳定。加速计的精确性受到的影响因素较多，但加速度计的轴数与其测量精确性的关系并不明确，大多数加速度计在用于测量PA时倾向于低估。这可能是由于加速度计对某些运动项目的测量误差较大造成的，也可能是佩戴者在睡眠和洗浴过程中摘除设备造成的。所以，加速度计在测量日常PA时的效度还需要更多研究补充，研究者在测量日常PA时不能尽信加速度计。

3、结论

使用加速度计对PA进行测量仍存在不少细节问题，使用时应格外注意研究范式或模式，以保障研究结果的科学性以对接国际标准。PA调查中加速度计还不能完全取代问卷法，问卷法仍是PA调查体系的主流，加速度计仍需其他方法配合，可以作为自我报告系统的一种补充。加速度计未来的设计开发必将会克服当前的某些限制，当前与其他方法联合测量的无疑是一个较好的选择，对提高PA调查的信息全面性有较大帮助。