身體活動客觀測量方法的比較與選擇

孫建剛，劉 陽，任 波，李 博

充足的身體活動是降低慢性病風險、增長壽命、促進生命質量的關鍵因素[1-3]。著名國際醫學雜志《柳葉刀》 于2012年首次推出了以身體活動為主題的專刊[4]，4年后推出第二期特刊[5]，凸顯了全球醫學、 教育學及體育學領域研究對身體活動研究的高度重視。但全世界仍有81%的兒童青少年存在身體活動不足的情況[6-10]，這對兒童青少年的體質健康促進工作造成了極大的阻礙。準確高效地測量身體活動，是制定身體活動策略和實施干預措施的基礎，身體活動測量的重要性不言而喻[11-12]。身體活動的測量方法大體可以分為主觀測量法和客觀測量法，信效度不足一直是主觀法難以解決的問題[13]。隨著科技的進步，客觀測量法在身體活動研究中的應用越來越多[14-17]，為身體活動研究提供了較大的推動作用。身體活動客觀法種類繁多，相關新技術層出不窮，給研究者的選擇和使用造成了一定的困擾。

目前，國內外關于測量方法信效度的研究較多，但是仍缺少對測量方法原理與機制方面問題的研究。對測量方法原理與機制的理解不僅有助于方法的選擇，還能為提高方法的利用效率和降低測量誤差提供科學指導。鑒于此，本研究對目前常見的身體活動測量工具進行歸類和梳理，一方面解釋各類工具的測量原理，為研究者選用適當測量工具提供建議，另一方面為測量工具未來發展提供方向。

1 身體活動及測量的相關概念

身體活動和能量消耗（Energy Expenditure，EE）兩者經常被誤解為相同的意義，實質上兩者是不同的，其測量方法也不相同，對兩者及相關概念的理解對于研究者選取身體活動測量工具是有較大幫助的。總能耗（Total Energy Expenditure，TEE）主要包括靜息能耗（Resting Energy Expenditure，REE）和活 動能耗（Physical Activity Energy Expenditure，PAEE），另外還有一小部分的食物特殊動力學效應產生的能耗（Thermic Effect of Food，WEF），WEF 占 比 較 少，身體活動測量中會將WEF 算作PAEE 中的一部分，PAEE 可以通過PAEE=TEE-REE 計算。REE 是指維持人體24 h 基本需求的能耗，PAEE 是指發生在REE 之外的所有EE[18]。由于基礎代謝率的測試要求較高，因此多數研究采用測試靜息代謝率（Resting Metabolic Rate，BMR）的方法，所以在估算個體的能耗時一般需要測量REE 或BMR，然后再計算PAEE或身體活動水平（Physical Activity Level，PAL）。但是REE 的影響因素很多，包括年齡、性別、體格、體成分、種族、健康水平、運動技術水平、遺傳和環境因素[19]。因此，測量指標涉及到以上內容時，其測量精確程度可能會受到個體因素的影響。以上是身體活動測量過程中涉及的相關概念或原理，這些為身體活動測量打下了現實基礎，同時這些因素也影響著身體活動測量的結果。

2 身體活動測量方法原理與機制

身體活動的測量方法大體可以分為主觀測量法和客觀測量法。主觀法主要包含主觀觀察法、日志法和自我報告法，主觀測量法在身體活動測量時需研究者或被研究對象的參與，結果較容易受到主觀影響。主觀觀察法中觀察者需對研究對象進行持續觀察與記錄，觀察者的工作強度較大，對觀察者的要求較高，不適合長期追蹤與大范圍研究。該方法操作復雜且成本也較高，大樣本量身體活動研究中采用較少。問卷法和日志法大多是以回憶性問卷/ 報告的形式，此方法成本低、易實施，適合大樣本量的身體活動研究。目前已有80 多個國家以國際身體活動問卷 （Global Physical Activity Questionnaire，GPAQ）為測量工具，各自建立身體活動調查體系[20]。但此類方法在估算身體活動強度或能耗時，往往要對身體活動類型進行限定，而當超出規定范圍時，往往會因其類型和對應強度的不確定，不能準確估算身體活動。對于不同年齡的人群來說，報告法和問卷法的效度也存在較大的問題[21]，容易出現“過度報告”“過度理解”等情況[22]，信效度較低的問題一直難以解決[13]。

客觀測量法是利用特定儀器、 設備或試劑對身體活動進行測量的方法。一類是通過氣體分析儀器測量的方法，如氣體分析法。另一類是通過化學試劑進行，如雙標水法（Doubly Labeled Water，DLW）。還有一類是借助運動傳感器的客觀測量法，有計步器、加速度計、心率計、全球衛星定位系統（Global Position System，GPS）等。除此之外，還有直接測熱法，如代謝倉法。各類方法各具特色，應用要求各不相同，以下將對各類方法進行說明與比較，并給出相應選用建議。

2.1 化學試劑法

DLW 被認為是客觀測量法中精確程度最高的方法，也是化學試劑法的代表。該方法通過追蹤特殊元素，間接計算PAEE，常作為衡量其他方法的“金標準”。Lifson 等于1955年發明了DLW，并于1982年第一次應用于人類研究[23]，這是一種非入侵式的方法，不會對人體造成任何的負擔，不影響受試者的身體活動，幾乎適用任何運動項目與日常生活背景。受試者飲下經非放射性同位素2H 和18O 雙重標記的水，在測量期間收集全部尿液，通過檢測尿液中同位素的含量，計算2H 和18O 的代謝速率，推算CO2生成率和攝氧量（VO2），得出單位時間的能量消耗率，結合人體基礎代謝率，就可以計算出身體活動消耗[24]。但由于2H 和18O 造價昂貴，分析尿液中的同位素時，需要有較完善的實驗室基礎，目前還不適合在大樣本人群中應用[25]。另外，DLW 更適合長期追蹤，由于人的代謝速率問題，以小時為單位的身體活動測量時DLW 也并不合適，目前常用于對受試者進行7～14 d 的PAEE 測量[13]。

2.2 氣體分析法

氣體分析法是間接熱量測定法中另一具有代表性的方法，它也經常被當作檢驗新方法的金標準[26-30]，是實驗室條件和限制性情境中最常用的測量法。它通過測量人體吸入的O2量和呼出的CO2量差值來計算消耗的O2量，根據耗氧量計算身體活動的EE，如人體消耗1 L O2大約能產生5 kcal 熱量。最初，研究人員使用道格拉斯氣袋（Douglas bag）收集受試者呼吸的氣體，氣袋容量有限所以需要定時更換（30 s或1 min），測試過程需要若干個氣袋。測試結束后，再分析氣袋中的O2量和CO2量，推算呼吸商（Respiratory Quotient，RQ）、能量消耗量等指標。可見道格拉斯法測試過程復雜而繁瑣、不便利、局限性較大[31]。隨著科技的進步與計算機技術的應用，人們提出了呼出氣體的動態混合概念即混合倉法（Mixing Chamber），它適用于負荷穩態的測試，但卻難以實現快速、精確的測量要求[32]。Breath-by-breath 方法是通過佩戴密封的面罩，分析人體每一次呼出氣體的VE、O2和CO2濃度，使VO2的測試更快速、準確與方便。隨著無線傳輸技術的應用，目前已有便攜式遙測氣體代謝儀，不再需要各種通氣管道，可以讓佩戴者在更自由的狀態下進行身體活動。常見的設備有K5、K4b2、Metamax3B/VmaxST、OxyconMobile、VO2000等[33]。但是這些測試儀器也存在一些問題，例如利用間接測熱法測量PAEE 時，一般要求受試者必須佩帶密封良好的面罩，穿戴背負儀器和電源的背心或背帶（圖1），可以進行幅度較小的身體活動測量，但無法進行復雜和劇烈活動的測量，且使用者的視線會受到面罩的影響，身體活動的空間范圍會受到一定限制，因此很難在長期性項目中使用，其操作復雜性和造價高昂的特點，也限制了在大樣本量人群日常PAEE 調查中的應用[24]。

圖1 意大利產K5 遙測心肺功能測試儀Figure1 Italian K5 Telemetry Cardiopulmonary Function Tester

2.3 運動傳感器

2.3.1 計步器

計步器可以說是最受歡迎和最廣泛使用的運動傳感器[13]，計步器大多是采用內置機械式計數器計量走路和跑步的步數，造價較低，一般佩戴在腰部，體積較小，對受試者的身體活動影響較小，可以感應人體重心垂直方向的運動。計步器推薦的身體活動量以“每天的步數”為指標（見表1）[13]。常用的“每天1 萬步”這樣的目標，容易被大眾理解和熟知。計步器在常規情況下能夠比較準確地記錄人們正常行走時的步數，并可長期跟蹤，以步數結合受試者的其他生理指標，可以估算對應的PAL。戴劍松等[34]利用日本Yamax 公司生產的DdigiWalker200 型計步器，推算出了步行EE 和一日總能量消耗的公式，經其檢驗，該算法在一定條件下具有可接受的信度與效度水平。但計步器在測量身體活動時存在的局限性也較大，步數指標不能體現身體活動強度與頻率，僅能作為身體活動量的一種參考。類似“每天1 萬步”這樣的指標，這對很多對運動強度有精細要求的人群來說并不完全合適。另外，計步器受限于只能測量步行類的身體活動，還在低速和異常步態情況下會出現信度與效度明顯降低的局限性[35]。因此，想要以計步器對日常PAEE 進行測量難度較大。

表1 健康成人PAL 與每日步數對應關系[13]Table1 Number of Steps per Day and Corresponding Physical Activity Level[13]

2.3.2 加速度計

加速度計（非競技體育用途）是目前較為成熟的也是更為復雜的運動傳感器，通過感應水平面、冠狀面和矢狀面的加速度值來推算身體活動的時間和強度（表2）。加速度計的發明被認為是從自我報告法以來身體活動測量領域最具實質性的進步[36-37]。Actigraph RT3 等設備被國內外很多研究證明能夠較為準確地測量體力活動，已經廣泛應用于各類體力活動的研究中[38-42]。加速計的內部核心是由壓電元件及震動體組成的傳感器，震動體能夠感應運動中的加速度，然后作用于壓電元件產生電信號，經過計算機處理后得出加速度計數，進而推算出EE[43]。加速計法能夠通過計算機處理得出身體活動的強度、持續時間、頻率，且能被廣大兒童接受[44]，適用于不同年齡段，使用廣泛。同時，加速計法也能準確測量一些特殊人群的身體活動情況[45]。有研究表明有63%的運用運動傳感器法進行身體活動測量的研究，是以加速計為核心元件完成的[46]。有研究者以DLW 為金標準對加速度計測量健康成年人的日常身體活動的效度進行了驗證，結果表明使用加速度計可以一定程度上反映健康成年人PAEE 的基本情況[47]，但能否使用加速度計對人的EE 做準確測量仍未有定論[48]。

表2 身體活動測量常見加速度計[49]Table2 Accelerometers Used in the Study of Physical Activity Assessment[49]

2.3.3 心率計

心率計按測量原理一般可分為心電式和光電式，目前普遍認為依靠測量心臟電流的心電式精確度較高。心電式心率計是利用電極貼片感應心臟電流信號采集數據，但成本較高，操作較復雜。但隨著技術的進步，光電式心率計的精確性也越來越多被認可[50]。光電式心率計利用光電容積脈搏波描記法原理，通過光電傳感器感應血液在皮膚下的脈動情況，并將這些信息轉化成電信號，呈現對應的心率信息。此類方法精確度也很高，而且可以佩戴在手腕或胳膊上，佩戴位置并不局限于胸部[51]。但這種方法的原理決定了其存在一定的缺點，如汗液進入傳感器和皮膚之間時，測量的精確性會受到一定影響。心率計測量身體活動的機制是，在一定強度范圍內，如110～150 b/min，心率與VO2之間存在的線性關系，以一定的頻率采集心率數據，通過心率計算出VO2，再通過VO2得出PAEE。Strath 等[52]在校正了年齡和體適能后，測得心率與耗氧量的相關系數為0.68，所以心率在一定條件下可以作為測量身體活動的一種客觀指標。Spurr 等在1980年首次提出“曲線HR 法”也叫“拐點HR 法”，主要用于預測受試者的EE[53]。它需要根據每個人的不同狀態（平臥、坐位、站位等）建立獨立的HR 與EE 曲線關系，在預測EE 時，若HR 值高于曲線HR 可根據HR-VO2的曲線計算出EE； 若低于曲線HR 則需要根據安靜代謝率計算EE，這樣的算法考慮了個體差異，理論上要更精確。與其他客觀分析法相比，心率計法對兒童行為影響較小，且不受性別及體質水平的影響。心率檢測法能夠比較客觀、持續地測量PAEE，同時還能記錄身體活動的強度、持續時間及頻率且精確度高，但單純的心率不能反映身體真實的運動情況。

2.4 聯合測量法

鑒于沒有一種技術或設備能夠單獨地量化人體在運動或日常生活中的能耗，所以產生了多設備聯合測量的需求[54]。可穿戴智能設備是身體活動測量領域的新興工具，是可以穿戴在身體上的智能信息交互設備[55-56]。可穿戴智能設備不但結合了加速度計與心率計，還聯合了其他測量方法，獲取的身體活動信息更加全面，一定程度上可以認為它是聯合測量法的代表。可穿戴智能設備在身體活動測量領域中的應用獲得了廣泛的關注。可穿戴智能設備具有重量輕、尺寸小、使用簡單、便于攜帶的優點，內置多種傳感器，接收感知來自于自身的各項數據，例如步數、行走距離、卡路里、心跳、GPS 坐標等，這些數據被搜集起來并在后臺中進行分析，形成具體化結論，告訴使用者自身的健康情況、運動情況，甚至形成直接建議。正在進化的可穿戴設備將更多成為信息輸入和輸出混合設備，這種設備既能采集數據，又能在過濾處理數據后顯示出來，可對正在進行的身體活動進行干預。

2.5 其他

身體活動客觀測量法中還包含了一些其他的方法，如能量代謝艙法，代謝艙法可以實現短周期的測量，一天或數天都可以，可以精確地測量包括睡眠能耗在內的能耗情況。因為代謝艙的空間有限而且不能移動，故不能對個體室外的日常身體活動進行測量。雖然代謝艙能實時監控受試者的代謝情況，但造價高昂，很難進行大樣本量測試。雖然總體上利用代謝艙法的身體活動研究屬少數，但隨著經濟的發展，研究經費逐漸充足，使用代謝艙的研究數量正在不斷增加。基于GPS 的方法是通過測量穿戴者位置、速度、坡度和時間來估算EE，目前的研究認為，GPS在EE 估算方面準確性較差、受限方面較多，可以與其他方法結合使用，從而提升PAEE 估算的有效性和可靠性[57]。目前也有通過在活動范圍周邊架設信號增強設備來提高GPS 的準確性的方法，此類方法測量位置、位移、速度與加速度方面較準，對于個體能耗的計算仍需要結合其他方法，而且此類方法成本較高，佩戴者活動范圍受到限制，不能超出信號增強區域，因此無法進行大樣本長期性的測量。另外也有一些為測量身體活動而附加的設備和方法，如在一些客觀法的基礎上增加的皮膚溫度傳感器、 胸圍起伏測量儀器等，旨在提高測量PAEE 的準確性，但效果如何未有一致的定論。

3 測量方法的比較與選擇

在多數大規模身體活動調查研究中，自我報告法仍然是首選測量工具[58-59]，尤其是關于身體活動與靜態行為趨勢的調查大多依賴于目前比較成熟的問卷測量法[13,60]。但在實踐中，在對不同人群（包括兒童）的身體活動進行測量的時候，因為身體活動的偶發性和不連續性[61]，對于使用主觀法來說存在很大的技術挑戰[37,62]。又因為身體活動的內容異質而復雜，所以想要以自我報告法對身體活動進行精確的量化就更加困難[63]。所以對于身體活動和流行病學研究來說，為大規模的調查研究選擇一種精確且可行的客觀測量法是一個較好的發展方向[63-65]。

DLW 對身體活動的限制性與干擾較少、測量精確性高、使用過程的注意事項較少，但材料準備與數據收集難度較高。因DLW 不能對尿液按身體活動類型分類，因此這種方法可以評價特定的階段的總體能耗，但不能提供身體活動的類型、強度等信息。此方法適用對象廣泛，適用情境全面，對體質比較脆弱或敏感的人群，比如孕婦、哺乳期婦女和嬰兒都可以應用，實驗條件較完備的情況下可以選用。

氣體代謝分析儀測量身體活動時，會要求受測試者必須佩帶密封良好的面罩，為避免面罩漏氣，受試者只能進行簡單、小幅度、短時間的身體活動。根據其測量原理，導致氣體代謝分析法誤差的因素主要是使用設備測量之前的“校標”與設備的密閉性問題，因此任何可能導致設備漏氣的因素，都有可能對其測量結果造成影響。氣體代謝法比較適合時間短、人數少、活動范圍不大的身體活動測量。隨著無線技術的應用，氣體代謝分析儀的便捷性問題有望得以改善。

運動傳感器的精確性普遍受到佩戴方式與運動類型的影響。計步器造價低、佩戴方便、使用簡單，但其僅能夠提供步數信息或以步數估算能耗，不能區分不同個體的特征，這導致使用計步器測量不同個體身體活動的結果容易出現較大波動。另外，計步器的佩戴位置與佩戴方式也會對其精確性產生影響，設備佩戴松弛，或人體所進行的活動沒有重心上下波動的情況（如騎自行車），計步器的內置機械桿的感應能力就會受到影響，從而產生測量誤差。因此，想要以計步器對日常身體活動進行精確測量很難實現，可以在一些以行走為主要內容的康復性訓練或精確性要求不高的場景中應用。

加速度計的優點是可以提供活動強度和活動頻率等信息，其輸出結果更能反映人體的真實活動情況，但加速度計對上樓梯、騎自行車和搬運物體等非全身運動和非平面運動的測量不準確。一般來說，加速度計的佩戴距離重心越近精確度越高。雖然手腕佩戴加速度計對受試行為影響較小，且不受性別及體質水平的影響[53]，加速度計的原理決定了將其佩戴在手腕時，收集到的大多是手臂的活動，而不能代表整體的活動數據。加速度計雖然佩戴簡單，但其數據的收集與分析需要一定的技術基礎，因此不太適合普通人群而比較適合資金條件較理想的研究者。

心率計種類較多，可選擇性較大，心電式心率計一般要求佩戴在胸部，除了佩戴不方便之外，造價往往也比較高。光電式心率計雖然佩戴方便、 造價較低，但誤差相對較大。心率計雖然有不低于加速度計的準確性，但心率卻不能真實反映身體活動的方式，所以在以心率轉換為EE 時，效度會有一定程度的降低，心率計比較適合情境相對恒定的環境。隨著科學技術的發展，心率監測儀結合衛星定位系統評估兒童PAEE 已經成為現實，需不斷地完善[66]。

聯合測量法-可穿戴智能設備造價相對較低、操作簡單、佩戴方式多樣，可對使用者的身體活動狀況進行長期的跟蹤，而且能夠即時地反映使用者的身體活動情況，而且可穿戴智能設備能夠建立檔案，一定程度上降低了由于個體差異造成的測量誤差。但是，可穿戴智能設備精確度往往并不穩定，不同品牌、不同類型的設備存在較大差別，針對不同身體活動類型和不同受試對象也存在差別[67]。有研究表明，在利用可穿戴智能設備對走跑類運動進行測量時發現，不同速度下，可穿戴設備的表現存在差異，很多可穿戴式智能設備能夠在某特定條件下實現對身體活動的精確測量，但是很難找到一種能夠適應所有情況的設備。國內關于可穿戴智能設備能否用于科研，或關于其是否能夠達到科研級要求的研究數量相對較少，還需要更多研究來驗證[68]。可穿戴智能設備目前仍未達到科研級需求，多數僅能用于日常生活中的身體活動測量。

4 建議

在多數身體活動研究中，自我報告法仍然是首選測量工具。隨著科技的進步，常見客觀測量方法技術日趨成熟，應用也會越來越多，但仍存在各種局限性。理解測量工具的原理對于工具的選擇和合理使用都具有較大幫助。可穿戴智能設備在身體活動中的應用引起了廣泛關注，隨著技術的進步其精確性問題必將得以解決，具有廣闊的應用前景。