趙壯壯，徐京朝

（南京城市職業(yè)學(xué)院 體育部，江蘇 南京 210038）

現(xiàn)代研究認(rèn)為體力活動（physical activity）不足是影響人類健康的重要因素，心血管疾病、糖尿病、骨質(zhì)疏松、肥胖癥等疾病發(fā)生率與體力活動水平呈現(xiàn)出反向的劑量效應(yīng)關(guān)系（dose-response）［1-4］。體力活動需要科學(xué)、有效、精確的體力活動測量方法，目前主要的體力活動測量方法有主觀測量方法和客觀測量方法兩類?？陀^測量方法又有雙標(biāo)水法（doubly labeled water）、間接熱量測定法（indirect calorimetry）、心率表法（heart rate monitor）、計步器測定法（pedometer）和加速度傳感器法（accelerometer）等［5-6］。在人體體力活動測量中，加速度傳感器表現(xiàn)出了客觀（objective）、精確（accurate）、實用（practical）、可靠（reliable）［7］等諸多優(yōu)勢，在流行病學(xué)、運(yùn)動干預(yù)、體力活動研究和人們?nèi)粘＝】倒芾碇姓紦?jù)了舉足輕重的地位。

在眾多加速度傳感器產(chǎn)品（Sense Wear，Tritrac-R3D／RT3，Kenz，Brotrainer，CSA／Actigragph）中，Actigraph（之前被稱為CSA）加速度傳感器是目前體力活動研究中應(yīng)用最為廣泛［8］的產(chǎn)品之一，它由美國MTI公司研發(fā)。MTI在近30年的研發(fā)中，積累了眾多的產(chǎn)品類型，擁有一條齊全的產(chǎn)品線（Productionline）。隨著1993年第一代傳感器7164（CSA）問世［4］，引起了學(xué)者興趣，眾多針對7164的研究（例如能量消耗預(yù)測方程推算、體力活動水平分類、信效度研究等）［9-15］見諸學(xué)術(shù)刊物和報端，雖然目前7164不再是MTI的主產(chǎn)品，但關(guān)于7164的學(xué)術(shù)研究依然在繼續(xù)。71256是繼7164后的過渡型傳感器，它依然采用單軸加速度傳感器技術(shù)，除若干參數(shù)有所調(diào)整外，其他同7164一致。71256在2005年就不再生產(chǎn)，MTI隨之推出了第三代加速度傳感器GT1M。與7164等相比，GT1M不但尺寸和質(zhì)量都有所減少，而且采樣頻率、內(nèi)存也有所增加；除此之外GT1M采用微電子機(jī)械系統(tǒng)電容式加速度傳感器，這種壓電式固態(tài)加速度計（piezoelectric，solid state）免去使用之前的校準(zhǔn)（calibration）步驟［8］，為實驗和日常使用帶來了方便。GT1M有多個版本，在2008年MTI推出雙軸GT1M之前，GT1M一直采用的是單軸加速度技術(shù)。2009年，MTI推出了自己的第四代加速度計GT3X，同時GT3X＋、Actisleep、Actitrainer也成為加速度計市場新寵。第四代加速度傳感器均采用固態(tài)三軸加速度計，內(nèi)存和電池容量有所增加；GT3X＋、Actisleep、Actitrainer還具有環(huán)境光感應(yīng)系統(tǒng)，用以監(jiān)測使用者使用環(huán)境和時間；Actisleep是專門針對睡眠問題研發(fā)的產(chǎn)品，可以監(jiān)測有關(guān)睡眠質(zhì)量的若干指標(biāo)：入睡時間、睡眠時長等，也可以用來測量體力活動時的能量消耗；Actitrainer（ActiGo產(chǎn)品同屬此序列）最大的突破在于它可以提供使用者的心率等信息，使用Actitrainer時同時佩戴Polar T31心率帶，就可以收集使用者運(yùn)動中的心率信息，并直接顯示在二極管屏幕上。

Actigraph產(chǎn)品在全球56個國家的數(shù)以千計的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)中被使用，相關(guān)Actigraph的研究文獻(xiàn)特別是涉及到7164、GT1M、GT3X的論文多達(dá)數(shù)百篇，本文就Actigraph在體力活動測量中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，回顧了相關(guān)學(xué)者的研究成果，以期為國內(nèi)研究提供參考。

1 Actigraph基本參數(shù)

本文首先對Actigraph的基本信息進(jìn)行了回顧，基本參數(shù)見表1。

表1 Actigraph基本參數(shù)表

1.1 尺寸和重量

Actigraph尺寸和重量相對來說較小，較小的尺寸和較輕的重量為日常應(yīng)用和野外實驗（field research）帶來了便利。Actitrainer的尺寸和質(zhì)量在所有Actigraph產(chǎn)品中為最大，這同它的產(chǎn)品定位，以及集成了有機(jī)發(fā)光二極管的顯示窗口和心率感應(yīng)器有關(guān)，加速度計未來的發(fā)展趨勢依然是輕便化。

1.2 加速度計類型

除7164采用的是懸臂梁加速度計技術(shù)外，以后的產(chǎn)品均采用了壓電傳感器，當(dāng)有加速度產(chǎn)生時，首先會引起壓電原件的形變，形變產(chǎn)生的信號經(jīng)過電荷處理和過濾之后被微控系統(tǒng)處理并被儲存在傳感器的內(nèi)存中［4］。根據(jù)傳感器所能感應(yīng)的加速度方向，可以分為單軸、雙軸和三軸。單軸加速度計通常只對垂直軸（vertical）的加速度敏感，雙軸（采用較少，Actigraph GT1M的第四版本采用）可以對垂直和水平軸（wertical and horizontal）上產(chǎn)生的加速度進(jìn)行記錄，三軸加速度計則可以感應(yīng)和記錄垂直軸、矢狀軸和冠狀軸6個方向的加速度。

1.3 響應(yīng)頻率、取樣頻率、靈敏度范圍

人體運(yùn)動頻率有一定范圍，在應(yīng)用過程中一些其他震動也有可能引起加速度計的響應(yīng)，為盡量減小非人體體力活動產(chǎn)生的加速度被記錄，就必須設(shè)定一個濾波器，將較低和較高的頻率過濾掉。7164響應(yīng)頻率范圍大于其他型號產(chǎn)品的響應(yīng)頻率范圍，使7164能夠感應(yīng)人體更多的運(yùn)動頻率，也可能使其受到更多干擾因素的影響，以提高測試結(jié)果。

傳感器的取樣實際上是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A／D converter）轉(zhuǎn)化信號的過程，在使用過程中，經(jīng)過電荷放大和濾波器過濾的加速度信號會被模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以一定的頻率轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號儲存在加速度計的微控系統(tǒng)中［4］。7164的取樣頻率是10Hz，說明7164中的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器每秒轉(zhuǎn)化將采集10次加速度信號并將之轉(zhuǎn)化為電子信號。GT3X＋的取樣頻率可以由用戶在30Hz—100Hz范圍內(nèi)自由設(shè)定，取樣頻率越高，加速度計越能全面反映人體運(yùn)動過程，從而取得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

在響應(yīng)頻率范圍內(nèi)，加速度計能夠感應(yīng)的加速度處于一定范圍之內(nèi)，這個感應(yīng)范圍和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器類型共同決定了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的靈敏度（sensitivity）。7164的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是8bit A／D轉(zhuǎn)換器，它能夠辨別28-256種不同水平加速度水平，由于同一軸向的加速度有兩個方向，所以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的辨別距中值為128；7164在0.1—3.6Hz的響應(yīng)頻率范圍最大可以感應(yīng) 2.13g 的加速度，2.13g／128＝0.01664g就得到了8bit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器靈敏度為0.01664g／bit［4］。7164之后的 Actigraph產(chǎn)品模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器靈敏度均有了很大幅度的提高，GT3X等的靈敏度已經(jīng)達(dá)到0.01221g／bit。

1.4 數(shù)據(jù)存儲能力

加速度計收集到加速度信息，經(jīng)過微控系統(tǒng)的處理轉(zhuǎn)換之后，會以綜合數(shù)值—計數(shù)（counts）的形式儲存在內(nèi)存中，加速度計的數(shù)據(jù)存儲能力則反應(yīng)了它記錄數(shù)據(jù)的時間長短，這對于日常應(yīng)用和科研具有重要的影響。衡量加速度計的數(shù)據(jù)存儲能力，主要有兩個因素：數(shù)據(jù)記錄時間（epoch time）和內(nèi)存容量（memory）。

數(shù)據(jù)記錄時間由用戶自行設(shè)定，較短的數(shù)據(jù)記錄時間可以全面地反映體力活動情況，但是會減少加速度計的存儲時間；較長的數(shù)據(jù)記錄時間會延長加速度計的存儲時間，但是可能會造成信息的丟失［17］（如對精確到幾秒的活動類型和強(qiáng)度研究來說，無法提供準(zhǔn)確的信息）。

早期Actigraph產(chǎn)品內(nèi)存容量較小，如7164只有64K。作為7164升級產(chǎn)品，71256增加到256K，隨著人們對數(shù)據(jù)存儲需要的增加，Actigraph內(nèi)存容量不斷增加，GT3X達(dá)到16M。數(shù)據(jù)記錄時間和內(nèi)存容量決定了數(shù)據(jù)存儲能力，湯強(qiáng)等研究表明GT1M的epoch time設(shè)置為1min時，加速度計可以連續(xù)記錄178天的數(shù)據(jù)；epoch time設(shè)為10s時，只能記錄30天的數(shù)據(jù)。7164的epoch time設(shè)為1min時，可以連續(xù)記錄22天的數(shù)據(jù)；epoch time設(shè)為10s時，只能連續(xù)記錄3.5天的數(shù)據(jù)。加速度計實際的數(shù)據(jù)記錄能力還受到電池續(xù)航能力的限制，所以在實際研究和應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮以上幾個因素。

1.5 主要輸出參數(shù)

Actigraph運(yùn)動傳感器的數(shù)據(jù)信息可以通過PC展示給用戶，通過USB將數(shù)據(jù)下載到Actigraph PC軟件（Actilife）中，就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。7164／71256／GT1M／GT3X主要的輸出參數(shù)為：counts、步數(shù)、能量消耗（kcals）、體力活動水平等，而GT3X＋／Actitrainer以及Actisleep則可以輸出更多的參數(shù)值。例如，GT3X＋和Actitrainer可以輸出人體位置（position）信息，GT3＋／Actitrainer和Actisleep可以通過本身攜帶的環(huán)境光傳感器（Ambient Light Sensor）記錄環(huán)境信息。作為專門為睡眠研究量身打造的測量儀器，Actisleep能夠全面記錄睡眠信息，如入睡時間、覺醒次數(shù)和持續(xù)時間、睡眠總時間、睡眠質(zhì)量水平等。如果將GT3X＋佩戴于手腕，它也可以記錄一些人體睡眠的信息，如入睡時、睡眠總時間等。

2 Actigraph信度和效度研究

批量生產(chǎn)的Actigraph儀器在正式投入市場之前，一般都要做信度檢驗，雖然大部分產(chǎn)品符合其公司的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但對于不同研究者來說他們對儀器的可靠性有不同的要求，因此有學(xué)者對Actigraph加速度傳感器信度進(jìn)行了研究。信度水平常常用變異度（CV，coefficient variation）衡量，同一設(shè)備多次測量結(jié)果的變異度表示為CVintra，不同儀器同一次測量結(jié)果的變異度表示為CVinter。Metcalf等人在對7164的信度研究中，發(fā)現(xiàn)7164的CVintra為1.83%，明顯小于7164（5%）［18］。Clain在其研究中發(fā)現(xiàn)7164在測量中等強(qiáng)度運(yùn)動時的CVinter高于其他運(yùn)動強(qiáng)度下的CVinter（13.5%vs 0.9-14.7%），與此同時，Clain發(fā)現(xiàn)不同GT1M在一次測量中結(jié)果的變異度較之前的版本明顯降低［19］。在可以提供標(biāo)準(zhǔn)加速度的震動臺上進(jìn)行信度檢驗，是許多學(xué)者經(jīng)常采用的方式。Rothney等在震動臺試驗中，計算了GT1M在各種震動頻率下的CV值，并進(jìn)行了橫向比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GT1M的CVinter在震動頻率大于40rpm時低于7164和71256。他還報道到，在震動臺試驗中各型號儀器的CVinter在低頻率時計算值總體上要高于頻率大于40rpm時計算的CVinter［16］。Barge等人采用機(jī)械裝置產(chǎn)生垂直方向加速度，用來衡量Actigraph的可靠性，試驗表明多個Actigraph加速度傳感器的變異程度大于一個Actigraph加速度傳感器前后多次測試的變異程度［5，9］。YAM等在其研究中，以寵物狗作為實驗對象，他們設(shè)計的信度研究實驗結(jié)果表明GT3X具有較高的信度水平［7］。在與其他加速度傳感器信度對比研究中，Actigraph常常表現(xiàn)出良好的信度水平，其CVintra和CVinter相比其他品牌要小許多［20-21］。在YAM的研究中，他計算了GT3X垂直軸和綜合counts輸入，結(jié)果表明在四個活動強(qiáng)度（sedentary，light intensity physical activity indoors，linght to moderate intensity physical activity outdoor，vigorous intensity physical activity）下，無論是垂直軸的counts值還是綜合值皆有顯著差異，這也反映了GT3X的信度［7］。

在加速度傳感器效度研究中，雙標(biāo)水法（DLW）和間接測熱法（indirect calorimetry）所獲取的數(shù)據(jù)常常作為“金標(biāo)準(zhǔn)”［22］。通過比較加速度傳感器的counts值或者能量消耗量和雙標(biāo)水法或氣體代謝分析儀的數(shù)據(jù)的相關(guān)性來確定加速度傳感器的測量效度。Masse等人比較了Actigraph的counts值域雙標(biāo)水測試的結(jié)果之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)雙標(biāo)水測量的總能量消耗（TEE）與Actigraph的counts之間的相關(guān)系數(shù)r＝0.66［23］。Leenders等人以雙標(biāo)水法為參照，采用RT3加速度傳感器、Actigraph加速度傳感器測量13名婦女連續(xù)一周的活動狀況，結(jié)果表明這兩種加速度傳感器明顯低估了實際能耗，其中Actigraph加速度傳感器低估程度達(dá)到35%［24］。用上述“金標(biāo)準(zhǔn)”來單純驗證Actigraph效度的文獻(xiàn)尚不多見，多數(shù)研究者更多的是利用Actigraph的Counts值與“金標(biāo)準(zhǔn)”能量消耗建立能量消耗的推算方程。

3 能量消耗推算方程

加速度傳感器直接記錄的數(shù)據(jù)是counts，要想得到人體運(yùn)動時的能量消耗信息，必須建立counts和能量消耗量之間的回歸方程。以Actigraph 7164和71256的測試結(jié)果為基礎(chǔ)的能量消耗推算方程較多，GT1M和以后的型號此方面的研究較少，有待進(jìn)一步深入。目前學(xué)界根據(jù)Actigraph建立的能量推算方程主要有兩種，一種是線性方程，另一種是分段方程。

建立在Actigraph加速度傳感器測量結(jié)果上的常用線性方程共有8個（見表2）。這些方程在體力活動研究中起到了巨大的作用，特別是Freedson等推導(dǎo)回歸方程已經(jīng)被Actigraph推出的軟件客戶端Actilife采納。Crouter等在驗證Actigraph的能量推算方程時發(fā)現(xiàn)，沒有一個方程可以準(zhǔn)確預(yù)測所有體力活動的能耗［25］。Hendelman 等的研究顯示，Actigraph 的counts值與他自己推算的方程具有較高的相關(guān)系數(shù)，達(dá)到了0.7732。針對Actigraph儀器建立的回歸方程，通常以7164和71256為基礎(chǔ)，Sasaki等人則采用GT3X，利用多重回歸（因素為：速度和counts）建立了預(yù)測模型，并與對照組實際能量消耗進(jìn)行了配對樣本T檢驗，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異［26］。盡管如此，由于方程的建立通常是在特定的運(yùn)動類型和強(qiáng)度之下，所以一個方程只有在針對相應(yīng)類型和強(qiáng)度的體力活動進(jìn)行能量推算時，才能表現(xiàn)出良好的效度。因此，有的學(xué)者想到通過建立分段方程的方法來改善這一狀況。

表2 以Actigraph為基礎(chǔ)的線性回歸方程

Crouter在分段方程的建立上取得了很大的進(jìn)展。他以counts值為切點(diǎn)建立了以Actigraph測量結(jié)果為基礎(chǔ)的分段方程，并進(jìn)行了相關(guān)驗證，結(jié)果顯示預(yù)測值和測試值之間差異很小。雖然分段方程可能會提高Actigraph估算能量消耗的精確度，但是湯強(qiáng)等認(rèn)為這種分段方程可能存在以下不足：（1）方程對于估算騎行運(yùn)動能量消耗的精確度較低；（2）方程的計算方法可能過于復(fù)雜；（3）方程還沒有在更多的人群和其他類型的體力活動研究中進(jìn)行驗證；（4）在推算counts值接近切點(diǎn)的體力活動時，誤差會比較大。

4 不同型號的Actigraph加速度傳感器對比研究

自從第一代Actigraph加速度傳感器7164誕生之后，Actigraph一共推出了4代儀器，每代一般會有多個版本。學(xué)者常常進(jìn)行不同型號儀器之間的對比研究，以確定這些儀器在測量中是否具有一致性。

在先前的研究中，同一代加速度計測量的可靠性得到了驗證，因此，Dinesh John在不同的走跑速度下，檢驗7164和三個GT1M不同版本的counts記錄是否有差異；他讓實驗者佩戴不同的儀器在10個不同的速度下活動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在給定的速度之下，所有儀器記錄的counts值沒有顯著差異。在7個給定的跑步速度水平上，7164記錄了最低值，而GT1M-V2記錄了最大值。這和之前Rothney等的研究取得了相似的結(jié)果。雖然Actigraph自己宣布由于GT1M相比7164采用了更高的采樣頻率（30Hz vs 10Hz），所以它在在較高震動頻率下會記錄更高的counts值，但是Rothney等的研究卻得到了相反的結(jié)果，這個結(jié)果同Dinesh John的研究結(jié)果是一致的。另外，Rothney等的研究結(jié)果還表明GT1M與7164相比，在測量低頻率運(yùn)動時，具有較低的靈敏度，這可能導(dǎo)致GT1M無法記錄一定頻率之下運(yùn)動產(chǎn)生的加速度，從而低估這些運(yùn)動的能量消耗。對這個問題，Brychta做了詳細(xì)的研究，其目的就是為了檢測在不同的數(shù)字信號處理濾波器過濾下，Actigraph監(jiān)測快速和慢速運(yùn)動的能力。為此，他讓實驗者佩戴GT1Mv6.0和GT3Xv1.3，同時佩戴經(jīng)過低頻處理的GT1Mv6.0和較高版本的GT3Xv1.4作為對照。結(jié)果顯示在0.8kmp速度下，73%的GT1Mv6.0和50%的GT3Xv1.3沒有記錄運(yùn)動數(shù)據(jù)；在1.6kmp速度下沒有記錄運(yùn)動數(shù)據(jù)的比例都為14%。然而經(jīng)過調(diào)整的GT1Mv6.0和GT3Xv1.4在所有的速度下都能檢測到人體運(yùn)動，并記錄下counts數(shù)據(jù)。Actigraph在檢測低頻率人體運(yùn)動時確實存在靈敏性不高的問題，所以Brychta建議Actigraph繼續(xù)適度增大其檢測范圍。

在相關(guān)研究中，經(jīng)常出現(xiàn)一個十分重要的現(xiàn)象，那就是所謂的“高原現(xiàn)象”或者說“平臺效應(yīng)”。Brychta、Rothney、Dinesh John等的研究中均發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。在出現(xiàn)counts曲線“平臺效應(yīng)”時，counts值達(dá)到了頂點(diǎn)，并出現(xiàn)一個短暫平臺，然后隨著運(yùn)動強(qiáng)度的增加，出現(xiàn)快速下滑。Dinesh John等的研究中，平臺出現(xiàn)在速度為14km.hr-1時，此時7164和GT1M-V2的counts值為8974±677、9412±982cpm，二者的尖峰值差值是439±565cpm。然而Brychta35研究中這個平臺出現(xiàn)在速度為9.66KPH時。平臺效應(yīng)的出現(xiàn)會給體力活動類型和強(qiáng)度研究帶來困難，因此在估測速度大于10KPH的運(yùn)動的能量消耗時，研究者應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇測量儀器。因此早在1997年，bouten就建議將加速度測量幅度和測量頻率上限分別增加到6g和20Hz。

5 結(jié)束語

加速度傳感器因其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在體力活動測量中將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。Actigraph是目前應(yīng)用最為廣泛的加速度傳感器，通過對其信效度研究的回顧，我們發(fā)現(xiàn)Actigraph應(yīng)用于人的體力活動監(jiān)測在國外學(xué)者研究報道中呈現(xiàn)了良好的信度和效度水平（特別是與其他類型加速度計相比）。在Actigraph產(chǎn)品中，不同代際儀器之間，以及相同代際不同版本的儀器之間在數(shù)據(jù)記錄精度方面具有較好的一致性，但同時我們必須看到，由于Actigraph能量計算模型的建立往往是以實驗室研究為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)用Actigraph進(jìn)行個體體力活動測量與評價的精確性還需要進(jìn)一步證實。

運(yùn)用Actigraph等加速度傳感器進(jìn)行中國人群的體力活動監(jiān)測研究報道在學(xué)界尚不多見，鑒于加速度傳感器在測量人體運(yùn)動能量消耗中所具有的種種優(yōu)點(diǎn)，以及人們對日常健康管理方法和儀器的需求，我們應(yīng)該加強(qiáng)以Actigraph為代表的加速度傳感器測量人體體力活動的研究，結(jié)合中國人體質(zhì)狀況和運(yùn)動形式特點(diǎn)建立適合中國人特征的體力活動評價方法，開發(fā)適于中國人使用的體力活動監(jiān)測儀器。

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