青少年身體活動測量方法的綜述

□ 劉玉潔 劉靜民（清華大學體育部 北京 100084）

1、前言

隨著全面建設小康社會的目標推進，國民體質作為評判一個國家和社會發(fā)展水平的重要指標，越來越受到社會各界和國民的廣泛關注。從某種意義上講，整個民族的國民體質已經(jīng)嚴重影響到國家的綜合國力。而青少年群體作為民族的未來、國家的希望，其體質健康水平的高低直接影響著中華民族在世界舞臺上的國際競爭力。但是，由于學業(yè)負擔重、就業(yè)壓力大；校園體育的資源不足、體育課程安排不當?shù)瓤陀^因素和青少年自身的鍛煉意識差、作息不規(guī)律等主觀因素的影響，我國青少年學生的體質健康水平不容樂觀。

據(jù)統(tǒng)計，我國6-17歲兒童青少年超重率是9.6%，肥胖率6.4%，這一數(shù)據(jù)還在呈不斷上升的趨勢；我國兒童青少年總體近視發(fā)病形勢嚴峻，總體近視率為53.6%，高中生近視率高達81.0%。針對我國青少年體質逐年下降的現(xiàn)象，增強青少年的體育鍛煉刻不容緩，積極的體育運動不僅可以增加青少年的心肺耐力，減少肥胖的發(fā)生，還有助于青少年的心理健康。近年來國家針對增強青少年的體育鍛煉出臺了一系列的措施但效果甚微，要想有效的促進青少年的身體活動，首先需要有一個合適的評估方法，客觀準確的測量青少年的身體活動量，才能進一步提出方案。目前，身體活動測量的方法主要包括標準測量方法、客觀測量方法和主觀測量方法三大類。

標準測量方法主要包括雙標水法、測熱法（直接/間接）、直接觀察法（行為觀察法）、日志記錄等，主要用于標定其他研究手段與方法。但是考慮到受試者的身體負擔、測量的持續(xù)時間、實施條件以及經(jīng)費等因素，該類型測量方法的應用也受到了極大的限制，以至于近年來這種測量方法并沒有取得實質性的發(fā)展與進步。

客觀測量方法主要包括運動傳感器方法、心率監(jiān)測等，是借助一些簡單的儀器，進行測量的客觀測量方法。客觀測量方法多用于實驗研究，是從身體活動能量消耗的角度對身體活動進行的測量。隨著越來越準確有效的身體活動測量與評價的出現(xiàn)，這將會是身體活動研究中應用前景最為廣闊的客觀測量工具。

主觀測量法主要是身體活動問卷，盡管問卷測量的方法主觀性太強，仍然是大規(guī)模的身體活動流行病學研究常用的手段與工具。這種方法主要是從身體活動的強度、頻率和每次活動持續(xù)時間3個主要方面來測量身體活動的。

三種方法各有利弊，本研究將現(xiàn)有的經(jīng)典的身體活動測量方法進行總結，希望能夠找到適合青少年群體的身體活動測量方法。

2、標準測量法

2.1、雙標水法 （Doubly Labeled Water，DLW）

雙標水法于1955年由Lifson和他的同事共同發(fā)明并于1982年第一次應用于人類研究，是測量自由生活狀態(tài)下能量消耗最有效、最可靠的方法，被稱為是“金標準”。其原理是采用穩(wěn)定的氚（2H）和 18 氧（18O）同位素對休息時能量消耗（REE）、食物熱效應（TEF）和活動能量消耗（AEE）進行測定。它通過給予受試者一定劑量氚（2H）和 18氧（18O）后，測量受試者尿液中標記的2H18O的衰減率，來估計CO2的生成率，然后根據(jù)呼吸商（RQ）和經(jīng)典的Weir公式計算出單位時間內的平均能量消耗。雙標水法被廣泛認為是測量總能量消耗（TEE）金標準，并在各種研究中被用于驗證其他方法。

雙標水法除具有較高的準確度外，還具有非侵入性的優(yōu)點，受試者可在測量期間繼續(xù)正常活動，對受試者的身體負擔較小。然而，該方法的局限性在于其成本高，分析需要昂貴的設備和專業(yè)知識。DLW技術的另一個局限是，它提供了測量期間平均每日的總能量消耗，但沒有提供任何關于體力活動的能量消耗具體細節(jié)。目前，該方法已廣泛應用于包括嬰兒、孕婦和哺乳期婦女和老年人在內的各種人群，并不適用于大樣本的青少年體力活動測量。

2.2、測熱法（Calorimetry）

（1）直接測熱法（Direct calorimetry）。

直接測熱法是用熱量計測量受試者的熱損失率。它是測定代謝率最準確的方法，但由于成本高，受試者需要24小時或更長時間的監(jiān)控，應用受到限制。目前有4種直接熱量計，即“等溫直接熱量計”（也稱為“熱流或導熱熱量計”），通過在動物室周圍的夾套或浴槽中的恒溫流體（通常為水）或在連接到外墻表面的銅管網(wǎng)保持恒定的壁溫來工作；“散熱器直接量熱計”由一個腔體構成，通過液冷式熱交換器將主體損失的熱量排出腔體；“直接對流熱量計”，由一個以已知速率通風的隔熱室組成。該系統(tǒng)的工作原理是確定進入和離開絕緣室的空氣的溫度和焓差；“直接差熱計”包括兩個相同的腔室，其中一個腔室容納受試者，另一個腔室有一個電加熱器，可在兩個腔室中產生相同的升溫。

（2）間接測熱法（Indirect calorimetry）。

間接測熱法是通過測量吸氣量和呼氣量，以及O2和CO2的濃度來實現(xiàn)的。收集氣體的方法多種多樣，包括 道格拉斯布袋、面罩等。間接量熱法是一種準確、無創(chuàng)的方法，可以通過動態(tài)代謝系統(tǒng)對室外能量消耗進行評估，但需要專業(yè)的經(jīng)過培訓的人員操作。能量消耗由Weir公式計算，公式如下：

能量消耗（kcal）=3.941×VO2（L）+1.106×VCO2（L），其中 VO2是消耗O2的體積，VCO2是產生CO2的體積。

3、客觀測量法

3.1、運動傳感器法（Motion Sensors）

目前，用于研究的運動傳感器主要有兩種，一種是加速度計（Accelerometers），分為單軸（通常是垂直方向）和多軸（也就是垂直、水平和橫向三個方向）加速度計。另一種是計步器（Pedometers），不僅可以應用于科研，如今還大規(guī)模地應用于廣大群眾的體育鍛煉和健身的監(jiān)控中。

（1）加速度計（Accelerometers）。

科學技術進步使加速度計成為測量體力活動能量消耗的方法之一，20多年來，加速度計一直被用于評估兒童和青少年的身體活動，它甚至在大規(guī)模的研究中成為標準，如美國國家健康和營養(yǎng)檢查調查。第一個加速度計是由Actigraph公司開發(fā)的單軸加速度計，最近他們公司又開發(fā)了測量3個平面（三軸加速度計）加速度的新模型，可以通過對垂直（Y）、水平左右（X）和水平前后軸（Z）三個平面的計數(shù)積分來計算能量消耗。

如今，不同的公司開發(fā)了不同型號的加速度計，并在市場上有售。現(xiàn)在科研中較為常用的是Actigraph和armband兩家公司的加速度計，通過配套的系統(tǒng)軟件輸入受試者的性別、身高、年齡、體重等基本信息后，通過規(guī)定時間佩戴儀器便可輸出各時段的能量消耗。其原理是基于對物體加速度的測量，加速度是速度隨時間的變化，用重力系數(shù)的倍數(shù)（g=9.8m/s2）表示。某些模型測量1個平面（單軸）、2個平面（雙軸）或3個平面（三軸加速度計）的加速度。加速度計以單位時間“計數(shù)”的形式產生輸出，通過建立預測方程，將這些“計數(shù)”化為能量消耗單位，能量消耗的單位通常為為代謝當量（METs）或千卡/分鐘。

在最近的一項研究中，Lyden等評估了常用的加速度計方程用于預測能量消耗的準確性。他們的研究結果表明，當前的加速度計預測方程在將加速度計計數(shù)轉換為能量消耗時存在許多限制，尤其是在各種活動中使用時。一些較新版本的基于加速計的運動傳感器增加了額外的傳感器，以改進對姿態(tài)（如傾斜儀）、方向（如陀螺儀）以及一些信息（如光傳感器）的檢測。

（2）計步器（Pedometers）。

計步器用于測量步行，步行是最常進行的活動之一，在身體活動問卷和日志中占很大比例。計步器的基本輸出是步長計數(shù)。除此之外，還可以使用計步器通過步長乘以步數(shù)來估算走過的距離。步長受行走速度、身高、年齡、性別等因素影響。一些計步器顯示能量消耗為千卡，但不清楚它們顯示的是總能量消耗還是體力活動的能量消耗。Crouter等對10個電子計步器測量步數(shù)、距離和能量消耗的有效性進行了評估，發(fā)現(xiàn)這些工具在評估步數(shù)時最準確，在評估距離時更不準確，在評估能量消耗時更不準確。計步器雖然精度較低，但具有成本低的優(yōu)點，可以作為想要維持日常體力活動的人的自我監(jiān)控工具。

加速度計和計步器已經(jīng)廣泛被應用于評估身體活動，但也有其局限性。例如，佩戴在臀部的可穿戴加速度計不能檢測到上半身的運動，也不能評估工作（例如，負重）或姿勢（例如，坐與站）。傳感器可以放置在身體的特定部位，如大腿上，以檢測姿勢，但這種特殊的放置可能會增加參與者的負擔，這表明需要進一步的創(chuàng)新方法來最小化這種限制。并且現(xiàn)在還沒有研制出防水的運動傳感器，所以導致一些水中運動就無法采用此方法。

3.2、心率監(jiān)測法（Heart rate monitor）

近幾年，利用心率來測量身體活動的方法越來越被人們認可和接受，也成為測量青少年體力活動最為普遍的工具之一。首先，在原理上，心率與耗氧量之間存在線性相關的關系。研究已經(jīng)證實，在中度到劇烈的體力活動中，心率會隨著活動強度和耗氧量成比例變化。它們的使用基于心率、活動強度和耗氧量之間的假設關系，因為體力活動使心臟處于壓力之下，需要向運動的肌肉細胞輸送更多的氧氣。然而，在久坐和輕活動的情況下，這種相關性較低，這仍然是心率監(jiān)測器的局限性之一。心率與VO2之間的關系受混雜因素的影響，如特定的肌肉質量利用率、活動類型、身體健康水平和其他運動相關因素。一些非運動因素也被報道影響心率和VO2之間的關系。研究報告稱，電子或磁干擾通過計算機、微波、電視和機動運動設備等設備測量心率，導致讀數(shù)不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)丟失。減少這一電氣干擾問題的建議包括使心率監(jiān)測器至少遠離電氣設備的電路1m，并使心率接收器靠近發(fā)射機，從而增強發(fā)射機相對于干擾信號的信號。

盡管有這些限制，心率監(jiān)測器仍然受到研究人員的歡迎，因為它們具有成本相對較低、非侵入性和通用性的優(yōu)點。它們的使用提供了關于能源消耗、活動強度和持續(xù)時間的客觀和可靠的信息。如今，在科研領域最為精確且運用廣泛的實時監(jiān)測心率測試儀是polar公司的心率傳感設備，很多關于青少年身體活動的測量研究都應用了polar公司的心率帶。

4、主觀測量法

主觀測量法主要是身體活動問卷，常用于樣本數(shù)量大的流行病學調查研究中，而且研究成本低，步驟簡便易行。目前有相當多的問卷應用于身體活動評價，最常用的身體活動問卷包括國際身體活動問卷（IPAQ），全球身體活動問卷（GPAQ），明尼蘇達休閑時間身體活動問卷（MLTPAQ），7天身體活動回憶（PAR），修改活動問卷（MAQ），近期身體活動問卷（RPAQ）和前一天身體活動回憶（PDPAR）等。目前問卷用于身體活動研究，調查時間從24h以內到過去1-7天比較常見，但也有過去幾個月、幾年，甚至更長，調查對象包括兒童，成年人和老人。多數(shù)問卷適用于多個人群，也有一些專門針對老人和兒童設計的問卷。問卷調查涉及的內容主要包括工作、家務、庭院活動、閑暇時間、身體鍛煉、交通等等，各種方法調查內容不一樣，有的只涉及某一方面，有的涉及多個方面。

身體活動問卷給受試者帶來了較低的負擔，但由于依賴于參與者對所進行的體育活動的記憶，因此受到限制，增加了記憶偏差的風險。在一項對來自歐洲國家的1713名健康受試者的研究發(fā)現(xiàn)，使用經(jīng)過單獨校準的心率聯(lián)合加速度運動傳感器的方法，在兩個時間點測量進行中到較大強度體力活動（MVPA）的時間。受試者也需完成近期體力活動問卷（RPAQ），國際體力活動簡表（IPAQ）和歐洲癌癥與營養(yǎng)前瞻性調查體力活動問卷（EPIC-PAQ）。根據(jù)不同測量方法得到的信息，受試者被分為活躍（每周MVPA≥150min）或不活躍。采用敏感性、特異性和Kappa值來評價這3種PAQ判定個體是否活躍的準確性。結果顯示利用問卷進行自我報告式調查和通過心率聯(lián)合加速度計進行客觀測量的數(shù)據(jù)均具有非常顯著性差異（P＜0.01）。這一結果提示我們，在使用問卷對身體活動進行評價時，應注意其信效度檢驗、適用人群的針對性和與客觀測量工具結合使用。

5、結論

標準測量方法因為其操作繁瑣耗時，需要專門經(jīng)過培訓的人員操作，現(xiàn)在在對各個人群身體活動測量的中都已經(jīng)不太常用，在少量臨床實驗中還會使用。在客觀測量方法中，無論是加速度計，計步器還是心率帶近年來應用都比較廣泛。特別是隨著科學技術的進步，很多智能手機和手環(huán)中安裝了運動傳感器，這對于研究者進行大樣本的調查研究有一定說的幫助，但不同品牌的智能設備可能存在測量差異，如何進行校準和保證其穩(wěn)定性也是一個亟待解決的問題。在對于青少年的身體活動測量中，客觀測量法已經(jīng)被作為金標準來檢驗體力活動問卷的準確性。這一方面說明了客觀測量法的準確度已經(jīng)得到了認可，另一方面說明它還是不適合進行大樣本的測試，在時間和資金上都受到限制。主觀測量法雖然簡單易行，但其信效度確實容易讓人質疑，所以通常將青少年身體活動作為整個研究中的一個變量時，多用身體活動問卷進行測量。

綜上所述，目前還沒有一種最好的方法可以全面評估青少年身體活動和能量消耗。因此，在選擇評估工具的選擇取決于研究人員想要測量的身體活動的哪個方面，目標人群的特征，以及這些數(shù)據(jù)是否將用于描述群體或個人，我們也需要繼續(xù)研究和開發(fā)更穩(wěn)定，更準確，更便攜，更適合青少年的身體活動測量設備。