王 歡，王馨塘，佟海青，歐陽安，江崇民

身體活動作為一種特定的人體生理活動和生活行為方式，它與健康的關(guān)系越來越受到重視。無論是要研究身體活動與健康及疾病的關(guān)系，還是要進(jìn)行身體活動促進(jìn)和開展個性化健身指導(dǎo)，首要任務(wù)是對身體活動進(jìn)行測量和評價［13］。因此，關(guān)于身體活動測量方法學(xué)的研究一直是重要的研究命題。目前用于測量身體活動的工具有多種，包括計步器、間接測熱儀、雙標(biāo)水法、心率測量儀、加速計等。每種儀器都有各自的優(yōu)缺點。而加速度計因能相對客觀準(zhǔn)確、連續(xù)測量身體活動而被廣泛使用［5］。

加速度計的主要優(yōu)勢是體積小巧、方便攜帶，適用于在自由生活的環(huán)境下連續(xù)測量多天的身體活動，也適用于大樣本人群的測量。目前，已經(jīng)進(jìn)入市場銷售的加速度計有 多 個 品 牌，比 如，Antigraph、Actical、Tritrac－RT 和Sensewear Armband等。不同品牌的儀器在傳感器數(shù)量、活動響應(yīng)頻率（濾過性）和佩戴部位等方面有差別，因而測量效度有很大的不同。加速度計的工作原理是通過壓電傳感器將身體活動時的加速或減速信號轉(zhuǎn)化成為電信號，再將電信號收集處理成為加速度計數(shù)（counts），然后利用推算公式得出能耗值。所以，傳感器的敏感性和數(shù)量是影響加速度計測量效度的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)加速度計中傳感器的個數(shù)分為單軸、雙軸和三軸加速度計。研究證明，多軸加速度計測量精度高于單軸。Actigraph GT3和RT3作為最常用的三軸加速度計在科研工作中使用較多，盡管都是三軸加速度計，GT3和RT3又因有不同的濾過器，導(dǎo)致對相同活動會產(chǎn)生不同的加速度計數(shù)值（AC）。除了傳感器性能外，儀器的佩戴部位也是影響加速度計測量效度的重要因素，多數(shù)加速度計都戴在腰部，而最近剛研制的一種加速度計Sensewear Armband則是戴在上臂部，此外，該儀器在傳統(tǒng)壓電傳感器之外還增加了體溫感應(yīng)器，作為復(fù)合型運動傳感器的儀器在測量身體活動準(zhǔn)確性上可能具有獨特的優(yōu)勢。

盡管加速度計在身體活動測量中的應(yīng)用越來越廣泛，但由于不同研究中使用的儀器不同，以及使用方法上的不統(tǒng)一，限制了不同研究結(jié)果間的可比性，甚至影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。關(guān)于加速度計效度研究國外已有一些報道［8，15，17］，但同時比較幾種常用儀器效度的研究很少，不同儀器在測量相同活動時的差異有多大、對身體活動形式的敏感性是否不同都未見相關(guān)報道。因此，通過測量比較多種常用加速度計測量成年人日?；顒拥男Ф?，探討影響加速度計效度的因素，為科研人員合理選擇、使用加速度計提供了參考資料，為將來準(zhǔn)確測量中國人身體活動水平提供方法學(xué)依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以30名男性大學(xué)生為測試對象，受試者身體健康，身高、體重在正常范圍內(nèi)。所有受試者均簽定了知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 身體活動測量方案

每個受試者同時佩戴3個加速度計（右臂1個和右腰部2個）以及氣體代謝分析儀測試6項身體活動。第1次來實驗室測試5項活動，坐姿看書報、站立（自然站立、雙臂下垂）、站立擦桌子、擦地板、踢毽。每項活動測試5 min，在測試前受試者坐在椅子上休息10min以上達(dá)到安靜狀態(tài)，才能開始測試。第2次來實驗室測試走跑活動，走跑類活動包括4個速度，3km／h、4.5km／h、6km／h為走，7.5km／h為跑，每個速度測試5min。

所有測試在室內(nèi)進(jìn)行，測量環(huán)境溫度為15℃～25℃。要保持良好的通風(fēng)狀態(tài)。此外，走跑測試在平坦室內(nèi)場地上完成，場地面積15×10m（周長為50m）的長方形場地一塊，每5m間隔放置一個標(biāo)志物，測試時受試者需沿著場地標(biāo)志物外側(cè)緣行走。測試走跑時時現(xiàn)場播放音頻，音頻定期出現(xiàn)提示音一次（即每5m間隔響一次），此時受試者需從第一個標(biāo)志物移動至下一個標(biāo)志物，在節(jié)奏音頻和場地標(biāo)志物的幫助下，受試者很容易保持自然、放松、勻速的步態(tài)。

1.2.2 測試儀器

采用體質(zhì)測試專用的身高體重計測量受試者身高和體重，精度達(dá)到0.1cm和0.1kg。以 Actigraph GT3（簡稱GT3）、RT3、Sensewear Armband加速度計監(jiān)測身體活動。測試時統(tǒng)一將GT3和RT3佩戴在右側(cè)髖部、肚臍水平高度，Sensewear Armband（簡稱SWA）佩戴在右側(cè)上臂部，GT3和RT的采樣時間設(shè)置為1s，Sensewear Armband設(shè)置時間為1min。使用意大利產(chǎn)的Cosmed K4b2（簡稱K4b2），氣體代謝儀監(jiān)測受試者活動時每次呼吸中的O2和CO2含量，并同步監(jiān)測活動時的能量消耗，在同類研究中這種氣體代謝間接測熱法（IC法）被廣泛用作能耗監(jiān)測的金標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 統(tǒng)計方法

測試后在儀器的配套軟件內(nèi)將 K4b2和、GT3、RT3、SWA測得的原始數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為“1min”采樣頻率的數(shù)據(jù)。身體活動測試中，取靜坐中連續(xù)5min的平穩(wěn)數(shù)據(jù)以及其余各5項活動中第3～5min的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

數(shù)據(jù)的分析處理均在SPSS 15.0統(tǒng)計軟件中進(jìn)行。采用配對t檢驗分析不同方程的能耗預(yù)測值與間接測熱法測試值之間的差異，采用Pearson相關(guān)分析加速度計數(shù)值與MET值、能耗之間的關(guān)系。對于比較加速度計與K4b2的一致性、以及場地與跑臺的一致性用Bland－Altman Plot統(tǒng)計方法。統(tǒng)計分析中顯著性水平定義為P＜0.05，高度顯著性水平定義為P＜0.01。

2 研究結(jié)果

2.1 3種加速度計測量值與K4b2的差異

受試者的年齡23±2歲，身高175±3cm，體重65±4 kg。他們佩戴3種加速度計對6類身體活動能耗、加速度計數(shù)的測量結(jié)果見表1。

根據(jù)本次測試結(jié)果，3種加速度計對坐姿和站立活動的測量值與 K4b2的差異顯著（paired－t testP＜0.05）。其中GT3顯著低估坐姿和站立活動能耗，而RT3和SWA高估坐姿活動，低估站立活動的能耗，而且對坐姿到站力活動的能耗變化，3種加速度計都不能識別。

傳統(tǒng)術(shù)式中沒有廣泛性的連續(xù)型直接減壓，后路手術(shù)以間接減壓為主，前路手術(shù)減壓范圍有限不能做到長節(jié)段連續(xù)減壓。史建剛團(tuán)隊［29］近年報道了一種治療嚴(yán)重頸椎OPLL的連續(xù)型直接減壓術(shù)式，即ACAF。ACAF通過將頸椎椎體及骨化物作為一個復(fù)合體進(jìn)行整體前移，從而實現(xiàn)了在不直接切除骨化物的前提下，達(dá)到擴大椎管容積，脊髓直接減壓的效果［30］。Sun等［31］通過對15例行ACAF術(shù)式的多節(jié)段OPLL患者進(jìn)行隨訪研究，術(shù)后CT和MRI顯示，骨化物前移充分，脊髓減壓徹底；術(shù)后6個月隨訪時達(dá)到骨性融合，隨訪期間未發(fā)現(xiàn)與ACAF相關(guān)的特定并發(fā)癥。

擦桌子、拖地板活動是典型的家務(wù)活動，前者以上肢活動為主，后者以下肢活動為主。加速度計對這兩類活動的能耗測量值同K4b2有顯著差異（P＜0.05），擦桌子的測量誤差明顯大于拖地。3種儀器相比，SWA測量效度略好于GT3和RT3。

踢毽是大強度、全身性的身體活動（MET值超過9）。3種加速度計對踢毽活動的能耗都有顯著低估（P＜0.05）。3種儀器相比，SWA測量效度略好于GT3和RT3。

步行和跑步是最基本、最常見的身體活動。本研究發(fā)現(xiàn)，加速度計對這類活動的測量準(zhǔn)確性顯然高于坐姿、站立、家務(wù)活動（ADL活動）。不過與校標(biāo)值（K4b2測量值）之間有一些差異。具體分析，在3.0km／h時，3種加速度計能耗測量值與K4b2相比都有顯著差異（P＜0.05）。隨著走速的增加，加速度計測量的準(zhǔn)確性提高，到了6.0 km／h時加速度計與K4b2的差異最小。但是當(dāng)7.5km／h跑步開始時，兩類儀器的測量值差異又明顯增加，并達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。另外，對于走跑的測量效度，3種加速度計相比，GT3測量效度略好于SWA和RT3。

表1 3種加速度計和K4b2對身體活動能耗測量結(jié)果的比較一覽表Table 1 The Comparative Validity of Three Accelerometers during Several Activities

2.2 加速度計與K4b2的相關(guān)性

加速度計通過將單位時間內(nèi)（如1min）身體活動的加速度（減速度）轉(zhuǎn)換為加速度計數(shù)（AC），再將加速度計計數(shù)通過各種公式轉(zhuǎn)換為能量消耗值EE，從而間接反映其體力活動狀況。根據(jù)傳感器的個數(shù)加速度計可分為單軸、雙軸和三軸加速度計。單軸加速度計的輸出數(shù)據(jù)為垂直軸計數(shù)（ACz）；三軸加速度計可同步記錄ACz、冠狀軸加速度計數(shù)（ACx）和矢狀軸加速度計數(shù)（ACy），并可將三個方向的AC整合為三軸綜合計數(shù)（vector magnitude，VM）。本課題研究的3種加速度計，GT3和RT3屬于三軸加速度計，并且軟件提供的指標(biāo)里有加速度計數(shù)VM的數(shù)據(jù)，所以本研究就這兩種加速度計的原始指標(biāo)VM和通過公式計算出的指標(biāo)EE分別進(jìn)行了研究，研究它們與標(biāo)準(zhǔn)測量值之間的關(guān)系。

研究結(jié)果表明，加速度計VM與K4b2的METs相關(guān)性高于EE，說明加速度計原始測量值，即加速度計數(shù)，與METs之家有著一定的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)加速度計數(shù)經(jīng)過公式轉(zhuǎn)換成能耗值EE后，這種相關(guān)關(guān)系明顯減弱，意味著從加速度計數(shù)到EE的計算方法一定程度上影響著加速度計測量的準(zhǔn)確性（表2）。

表2還可見，如果將6個活動項目集合在一起，加速度計VM與METs的相關(guān)性很高，接近0.9。但是將6個項目單獨分開分析，相關(guān)系數(shù)各有不同，坐姿和站立與METs的相關(guān)性非常低，或者可以說沒有什么相關(guān)性。隨著引入較大負(fù)荷強度的活動，從擦桌子到拖地板，相關(guān)系數(shù)逐步提高，表明加速度計對身體活動測量的準(zhǔn)確性受身體活動的方式和強度影響。

表2 加速度計GT3和RT3的VM、EE與K4b2的METs相關(guān)性（Pearson相關(guān)系數(shù)）一覽表Table 2 The Relation of VM（EE）from GT3and RT3and METs from K4b2

2.3 加速度計與K4b2的一致性

為了進(jìn)一步分析加速度計的測量效度，本研究使用了Bland－Altman Plot統(tǒng)計方法分析加速度計與K4b2的一致性。以兩組指標(biāo)的平均值作為X軸，兩組指標(biāo)的差值作為Y值，圖中分別使用實線和兩條虛線標(biāo)記出誤差均值和95%的置信區(qū)間（X±1.96×SD），越多的點落在置信區(qū)間內(nèi)，差值均數(shù)越接近0，則一致性越好。

圖1 加速度計與K4b2測試5項身體活動能耗的一致性散點圖Figure 1. The Bland－Altman Plot of Accelerometers and K4b2 for Five Activities

圖1中，對于坐姿看書、站立、擦桌、拖地5項活動，GT3只有部分測試指標(biāo)差值落在95%的置信區(qū)間內(nèi)，而RT3和SWA絕大多數(shù)的指標(biāo)差值落在95%的置信區(qū)間內(nèi)，此外SWA的差值更接近0，表明對于這5項活動，加速度計SWA與K4b2的一致性較好。從圖還可見，GT3和RT3低估5項活動能耗，而SWA 高估看書、站立、擦桌子、拖地板活動的能耗，低估踢毽的能耗。

圖2 加速度計與K4b2測試走跑活動能耗的一致性散點圖Figure 2. The Bland－Altman Plot of Accelerometers and K4b2 for Walking and Running

3 討論

本研究以間接測熱法為校標(biāo)，測量比較了3種加速度計測量多種身體活動的效度。雖然關(guān)于加速度計效度的研究已開展了不少，但據(jù)筆者所知，這是第一個研究同時報道了3種最常用加速度計的效度，而這3種加速度計的選擇是基于它們在測量原理最先進(jìn)而且有可比性。本研究得出的主要結(jié)果可以歸納為身體活動類型、強度以及儀器性能、預(yù)測方程是影響加速度計測量效度的主要因素，研究結(jié)果將為使用者合理選擇、使用加速度計設(shè)備提供有價值的信息。

3.1 加速度計測量效度與身體活動類型

本研究表明，加速度計對不同類型身體活動測量準(zhǔn)確性有很大差別。本研究將身體活動分為兩大類——周期性走跑活動和非周期性日?；顒樱ˋDL），研究結(jié)果顯示，加速度計對于走跑項目的測量誤差顯著小于ADL，而且走跑項目加速度計與K4b2之間的相關(guān)性高于ADL，表明加速度計測量走跑活動的效度高于日?；顒?。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致［7，19］。走跑活動是以垂直方向為主、有規(guī)律的周期性活動，這類活動信號容易被加速度計傳感器捕捉。相反，日?；顒樱ˋDL）的類型很多，活動方式也不同，即使是同一種活動，不同人的活動方式會不同，活動信號表現(xiàn)為垂直、水平、橫向多個方向的無規(guī)律性振動，信號變異性大，不容易被加速度計準(zhǔn)確識別［18］。

針對多種類型的日?；顒?，加速度計的測量效度也不盡相同。本研究發(fā)現(xiàn)，3種加速度計對坐姿和站立活動的測量效度較差（測量誤差從0.2～1.5kcal／min），對于從坐姿到站立活動的變化都不能識別。也就是說，加速度計對靜態(tài)運動和姿勢變換產(chǎn)生的能量消耗不能準(zhǔn)確測量。如果一個人每天坐姿時間6～8h，這3種加速度計有可能高估或者低估每日能耗120～480kcal。研究表明，久坐時間作為獨立于身體活動的因子，嚴(yán)重危害著人們的健康，如何測量和評價久坐行為也成為重要的研究領(lǐng)域［3，16］。國外學(xué)者正在試圖建立加速度計測定久坐行為的方法，但是從筆者的研究數(shù)據(jù)看，這3種加速度計區(qū)別坐姿和站立兩種活動類型的能力均較差，無法作為客觀測量久坐活動的工具，最新的一篇文獻(xiàn)印證了該觀點，Actigraph和SWA 兩種加速度計低估了生活中輕體力活動能耗，低估的程度達(dá)到顯著性水平［21］。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，3種加速度計對下肢活動（如擦地板）的測量敏感性優(yōu)于上肢（如擦桌子）。有學(xué)者提出，由于多數(shù)加速度計只是佩戴在髖部，因而限制了其對上肢活動能耗的監(jiān)測［10］。在本研究中，GT3和RT3是戴在髖部的加速度計，而SWA作為一種臂帶式加速度計，盡管佩戴在手臂上，但它對拖地板的測量準(zhǔn)確性也是高于擦桌子，其中原因有待進(jìn)一步研究［12］。

3.2 加速度計測量效度與身體活動強度

加速度計的測量效度不僅與活動類型有關(guān)，還與活動強度有關(guān)。特別對于走跑活動，走跑的速度直接影響了加速度計效度。本研究結(jié)果顯示，3種加速度計對慢走（3 km／h）和跑步（7.5km／h）都不能準(zhǔn)確評估，對快速走（6 km／h）的測量效果較好。本研究結(jié)果與其他學(xué)者的報道一致，有研究分別對不同運動強度中加速度計與間接測熱法估測的EE進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)中等強度、大強度體力活動時兩者數(shù)據(jù)高度相關(guān)，但小強度體力活動、劇烈運動時二者相關(guān)性較低［6］。為什么加速度計對不同走速的測量效度有很大差異呢？可能與不同速度的變異度有關(guān)，慢速走和跑步活動的變異度大，而中、快速走時身體活動幅度小、變異度相對較低，正好位于加速度計傳感器的適宜響應(yīng)頻率區(qū)間內(nèi)。

身體活動強度不僅影響了測量誤差的大小，還影響了誤差的方向。通過本研究采用Bland－Altman Plot分析法發(fā)現(xiàn)，加速度計對于低強度活動估算偏差的方向不確定，或高估或低估；對于高強度活動，比如，踢毽和跑步，3種儀器都會顯著低估其能耗；對于中等強度，與校標(biāo)儀器的一致性最好。

3.3 加速度計測量效度與儀器性能和預(yù)測公式類型

本研究發(fā)現(xiàn)，對于相同的身體活動，3種加速度計的測量效度有很大差異，究其原因有多種，其中，儀器不同的響應(yīng)頻率區(qū)間是影響測量差異的重要因素。同是三軸加速度計，GT3和RT對相同身體活動的測量效度有區(qū)別，其原因之一是與兩種加速度計傳感器的響應(yīng)頻率區(qū)間有一定的關(guān)系［1］。GT3的頻率響應(yīng)區(qū)間是0.25～2.5Hz，RT3是2～10Hz，RT的響應(yīng)頻率區(qū)間要比GT3高和寬，從理論上講，RT3對于中高強度活動、以及變異度較大活動的測量準(zhǔn)確性好于GT3［16］，而GT3對于低、中強度測量更有優(yōu)勢。實際數(shù)據(jù)證明，對于變異度大的ADL活動和大強度的跑步，RT3的效度優(yōu)于GT3，而GT3對于低中強度的步行活動測量更準(zhǔn)確。

本研究發(fā)現(xiàn)，SWA作為一種臂帶式兩軸加速度計對多種日?；顒拥臏y量準(zhǔn)確性相對高于其他兩種三軸加速度計GT3和RT3，同時對ADL以及走跑活動的誤差值更集中在y軸0刻度兩側(cè)，說明儀器高估或者低估能耗的可能性均等，一致性好于RT3和GT3。相比其他兩種儀器，SWA能有較好的測量效度與其佩戴部位和感應(yīng)器特性不同有一定關(guān)系。SWA佩戴在手臂上，對上肢活動敏感性強于GT3和RT3，而日?；顒又猩现顒诱加泻艽蟊壤?，因而測量日?；顒虞^GT3和RT3有優(yōu)勢。國外學(xué)者的一項研究證明，用SWA測量下肢關(guān)節(jié)活動障礙者的身體活動水平，能獲得較客觀評估數(shù)據(jù)［9］。此外，SWA 的感應(yīng)器除了兩軸的加速度傳感器外，還有檢測皮膚溫度、皮膚電阻傳感器和環(huán)境溫度的傳感器，采用多種傳感器有助于克服單一類型傳感器的弊端，提高測量身體活動能耗的準(zhǔn)確性［2，11］。不過，本研究數(shù)據(jù)尚不能反映出每種傳感器對于能耗估測效度的貢獻(xiàn)比例。

加速度計對能耗估算的準(zhǔn)確性除了與儀器本身性能有關(guān)外，很大程度上還與預(yù)測方程有關(guān)。因為加速度計測量得到的是某一個或多個方向的加速度計數(shù)，并不是能量消耗值。需要以標(biāo)準(zhǔn)方法為參考，建立能量消耗的回歸方程，是用加速度計測量體力活動能量消耗的常用方法。因此，能量推算方程的精度是研究人員很關(guān)心的問題。不同加速度計使用的方程各不相同，有的方程建立在實驗室跑臺上、有的建立在戶外場地以及實際生活環(huán)境中，有的以成年人為受試對象［20］，有的以兒童為對象［4］。即便是同一種儀器，比如，Actigraph GT3軟件中自帶有8個能耗推算方程供人選用。關(guān)于加速度計預(yù)測方程的研究，目前得出的一致性結(jié)論是，沒有一個方程能夠有效地估算所有類型的身體活動能量消耗，只在建立方程時對應(yīng)某種體力活動類型時才有 較高 的 效 度［10，14，19］。利 用 更 先 進(jìn) 的 數(shù) 學(xué) 模 型建立效度更高的方程已成為加速度計測量方法學(xué)研究的重要領(lǐng)域。關(guān)于本研究中3種加速度計方程類型對于測量效度的影響以及改進(jìn)方法問題，筆者已經(jīng)在下一個專題研究中做了探索，并取得了有意義的研究結(jié)果，在本研究中不再闡述了。

4 結(jié)論與建議

本研究發(fā)現(xiàn)，影響加速度計測量效度的因素很多，包括身體活動類型、強度以及儀器方面等。其中，加速度計對于走跑活動的測量效度好于測量日常生活活動，對于中等強度活動的測量要好于低強度活動（比如，坐姿、站立、慢走）和大強度活動（如踢毽和跑步）。另外，3種儀器的測量效度存在較大的差異，可以說，沒有一種儀器能準(zhǔn)確估算所有類型的身體活動能耗?？蒲腥藛T在選擇儀器時，要依據(jù)研究任務(wù)和受試者的活動模式特點有針對性地選擇。根據(jù)本研究結(jié)果，如果要連續(xù)測量成年人多種活動（包括走跑以及日常生活活動）的能耗，Sensewear Armband的總體效度好于GT3和RT3。不過，該結(jié)論是基于幾種特定、結(jié)構(gòu)化身體活動的測量數(shù)據(jù)而得出的，還需要在實際生活的自由活動中進(jìn)一步驗證。

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