肥胖兒童青少年運動強度的多指標聯合診斷標準及價值

劉景新，朱琳，徐佶，蘇煜，孫越鵬，廖晶，胡水，劉曉光

（1.廣州體育學院運動與健康學院，廣東廣州 510500；2.廣東體育職業技術學院競技體育學院，廣東廣州 510663；3.韶關學院體育學院，廣東韶關 512005；4.大連海事大學體育工作部，遼寧大連 116026；5.廣東司法警官職業學院警體技能部，廣東廣州 510520）

肥胖是21世紀全球嚴重的公共衛生問題之一，兒童青少年肥胖及其帶來的健康問題日趨嚴重，而身體活動不足是其重要誘因。世界衛生組織發布的《關于身體活動和久坐行為指南》（Guidelines on Physical Activity and Sedentary Behaviour）及我國發布的《中國兒童青少年身體活動指南》均指出，兒童青少年應每天至少保持60 min的中高強度身體活動，每周至少保持3 d的高強度身體活動［1-3］；中高強度和高強度身體活動在降低兒童青少年肥胖發生風險、促進身體健康等方面的作用日益受到關注［4-6］。準確的運動強度診斷標準是指導兒童青少年達到身體活動推薦量的前提。運動強度的診斷以代謝當量（Metabolic Equivalent，MET）為金標準，《兒童青少年身體活動匯編》（A Youth Compendium of Physical Activities：Activity Codes and Metabolic Intensities）［7］歸納整理了兒童青少年常見運動項目的MET值，為診斷正常體質量兒童青少年運動強度提供了參考。但是，肥胖兒童青少年的MET具有特殊性，其單位體質量的靜息能耗低于正常體質量兒童青少年［8-10］，因此正常體質量兒童青少年常見運動項目的MET值可能并不適用于肥胖兒童青少年。

運動強度的準確診斷方法是運動健康促進領域研究的重要內容，國內外一些學者［11-14］也嘗試建立了包括正常體質量兒童青少年在內的不同人群單一指標（運動加速度計計數和心率）診斷運動強度的切點值，但這些切點值在診斷肥胖兒童青少年運動強度時存在較大差異。對于同一批超重/肥胖兒童青少年，不同單一指標診斷標準確定的中高強度運動時間的誤差范圍甚至能達到4~66 min/d［15］。總之，當前肥胖兒童青少年運動強度診斷標準的方法學研究相對滯后，不利于肥胖兒童青少年開展科學有效的運動鍛煉，也不利于運動健康促進研究的深入。

多指標聯合診斷是疾病診斷中的常用方法，能提高單一指標的診斷準確性，具有診斷價值高、診斷結果準確的優勢，在醫學領域中有較為廣泛的研究應用［16-18］。然而，多指標聯合診斷在運動科學領域的應用研究相對較少，其能否應用于診斷肥胖兒童青少年運動強度及提高單一指標的診斷準確性尚不清楚。為此，本文在建立單一指標運動強度診斷標準的基礎上，嘗試將多指標聯合診斷的方法應用于診斷肥胖兒童青少年運動強度，為提高其診斷準確性、制定肥胖兒童青少年運動策略和實施干預方案提供方法學參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募160名10~17歲肥胖兒童青少年，其中10～12歲兒童60人（男、女各30人），13～17歲青少年100人（男、女各50人）。根據性別和年齡進行分層隨機分組，由計算機產生隨機序列并按照3∶1的比例隨機劃分為用于建立運動強度診斷標準的訓練集（男、女各60人）和用于檢驗診斷方法準確性的驗證集（男、女各20人）。納入標準：以身體質量指數（Body Mass Index，BMI）為篩查指標，篩查標準參照2018年衛健委發布實施的《學齡兒童青少年超重與肥胖篩查》；排除病理性肥胖或伴有嚴重并發癥的兒童青少年。

1.2 測試方法

1.2.1 基本信息

采集受試者的性別、年齡、身高、體質量、BMI等基本信息。

1.2.2 能量消耗測試

選擇德國產Cortex Meta Max 3B便攜式氣體代謝分析儀進行靜息測試和運動測試，獲取靜息耗氧量（mL·kg-1·min-1）和運動耗氧量（mL·kg-1·min-1）。測試中同步佩戴Polar心率帶記錄安靜心率和運動負荷心率；同步佩戴ActiGraph GT3X+三軸運動加速度計（ActiGraph，Pensacola，FL，USA）記錄綜合矢量計數（Vector Mangiture，VM3）。GT3X+的 采 樣 頻 率 為30 Hz，采樣間隔60 s，佩戴位置為右側腋窩中線與髂脊水平線的交界處。

①靜息測試：要求受試者在測試前24 h內禁止飲用咖啡或酒精類飲品。測試在餐后2 h，室溫25℃~27℃的環境下進行，受試者靜坐15 min后佩戴測試儀器［8-9，19］，隨后靜臥15 min。②運動測試：選擇3 km·h-1（散步）、4 km·h-1（慢走）、5 km·h-1（正常步行）、6 km·h-1（慢跑）、7 km·h-1（慢跑）的自由走、跑，每個速度持續5 min，中間無間隔。測試場地為10 m×10 m的方形運動場地，每5 m放置1個標志物，受試者在標志物外側行走或跑步；以提示音控制速度，提示音每隔6 s（3 km·h-1）、4.5 s（4 km·h-1）、3.6 s（5 km·h-1）、3 s（6 km·h-1）、2.57 s（7 km·h-1）出現1次，當提示音出現時要求受試者到達下一個標志物，測試過程由研究人員領走或領跑。在測試過程中，受試者達到以下標準之一時終止測試：心率達到90%最大心率；呼吸商>1.10；主觀疲勞感覺>17。

1.3 數據指標提取方法

選用靜息測試11~15min的靜息耗氧量（mL·kg-1·min-1）、安靜心率（次·min-1）和每個運動測試4~5 min的運動耗氧量（mL·kg-1·min-1）、負荷心率（次·min-1）、VM3（counts·min-1）為最終數據。運動強度MET值=運動耗氧量/靜息耗氧量；心率儲備（Heart Rate Reserve）百分比（%HRR）=（負荷心率-安靜心率）/（最大心率-安靜心率）×100%，最大心率=220-年齡。

1.4 統計分析

計量資料采用均值±標準差的形式表示，計量資料組間比較采用獨立樣本t檢驗。①建立多指標聯合診斷模型，并根據模型計算多指標聯合診斷運動強度的預測概率值。將運動強度劃分為低強度（METs＜3）、中等強度（3≤METs＜6）和高強度（METs≥6）［2］；以運動強度為因變量，%HRR、VM3、年齡、性別、身高、體質量和BMI為自變量，采用逐步回歸篩選自變量，Logistic回歸建立多指標聯合診斷模型。以方差膨脹因子（Variance Inflation Factor，VIF）檢驗模型的自變量之間的多重共線性，VIF越大表明共線性越嚴重，0

2 研究結果

2.1 基本情況

訓練集男、女各60人，驗證集男、女各20人，訓練集和驗證集受試者基線值未見顯著差異（P>0.05），基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic information of the participants

2.2 靜息及運動測試的指標特征

肥胖兒童青少年靜息耗氧量約為4.35 mL·kg-1·min-1，高于正常成年人3.50 mL·kg-1·min-1的約定值，而低于正常體質量兒童青少年（約6.28~6.48 mL·kg-1·min-1）［21］。運動耗氧量隨自由走、跑速度的增加而呈增加的趨勢，3 km·h-1運動屬于低強度運動，4 km·h-1和5 km·h-1運動屬于中等強度運動，6 km·h-1和7 km·h-1運動屬于高強度運動。靜息及運動測試結果如表2所示。

表2 靜息及運動測試結果Table 2 The main outcomes of resting and activity measurements

2.3 構建運動強度的多指標聯合診斷模型

以Logistic回歸分別構建3METs和6METs的多指標聯合診斷模型，用于計算多指標聯合預測概率值。結果顯示，逐步回歸共篩選出VM3、%HRR、年齡等3個自變量。以運動強度是否＜3METs，將運動強度劃分為二分類變量（＜3METs賦值為1，≥3METs賦值為0），構建的3METs多指標聯合診斷模型Logist（P3METs）=10.666-9.760×10-2×%HRR-1.035×10-3×VM3-0.290×年齡。以運動強度是否≥6METs，將運動強度劃分為二分類變量（≥6METs賦值為1，＜6METs賦值為0），構建的6METs多指標聯合診斷模型Logist（P6METs）=-15.337+0.127×%HRR+6.316×10-4×VM3+0.176×年齡（表3）。VM3、%HRR、年齡與運動強度的關系顯著（P<0.05），所有自變量的VIF值均小于10，表明自變量間不存在多重共線性，模型均成立。

表3 運動強度多指標聯合診斷模型Table 3 Multi-index joint diagnosis model for exercise intensity

2.4 單一指標和多指標聯合評價運動強度的診斷切點

分別以單一指標VM3、%HRR和多指標聯合預測概率值（P3METs和P6METs）繪制3METs和6METs的ROC曲線。3METs的ROC曲線結果顯示，P3METs的AUC為0.891，診斷價值較高（表4），顯著高于VM3（ΔAUC=0.075，P=0.000 1）和%HRR（ΔAUC=0.056，P=0.000 9）（表5、圖1）；VM3和%HRR的AUC分別是0.816和0.834，診斷價值中等。由于3METs是中高強度運動的切點，P3METs的AUC高于單一指標%HRR和VM3的AUC，表明多指標聯合診斷中高強度運動的診斷價值高于單一指標。6METs的ROC曲線結果顯示，P6METs的AUC為0.956，診斷價值極高（表4），顯著高于%HRR（ΔAUC=0.019，P=0.005 4）和VM3（ΔAUC=0.066，P<0.000 1）；%HRR和VM3具有較高的診斷價值，AUC分別是0.890、0.937（圖2、表5）。

表4 運動強度的單一指標和多指標聯合診斷的適宜切點Table 4 The cut-off points of single and multi-index joint diagnosis of exercise intensity

表5 單一指標和多指標聯合的診斷價值比較Table 5 Comparison of diagnostic value of the single index and multi-index joint

圖1 3METs的單一指標和多指標聯合ROC曲線Figure 1 The ROC chart of the single index and multiindex joint diagnosis of 3METs

最大約登指數確定的%HRR、VM3、P3METs的3METs適宜切點為41.66%、3 687 counts·min-1和0.315（圖1、表4）；%HRR、VM3、P6METs的6METs適宜切點為63.05%、5 247 counts·min-1、0.248（圖2、表4）。

圖2 6METs的單一指標和多指標聯合ROC曲線Figure 2 The ROC chart of the single index and multiindex joint diagnosis of 6METs

2.5 單一指標和多指標聯合診斷運動強度的準確性與一致性檢驗

準確率是診斷正確的樣本個數與總體個數的比值，代表診斷方法的整體準確性［22］。本文結果顯示，多指標聯合的預測準確率比VM3高約15%，比%HRR高約5%，表明多指標聯合診斷運動強度的總體準確性高于單一指標（表6）。

精確率是指正確診斷為陽性的樣本個數占全部預測為陽性的樣本個數的比例，代表診斷方法能否查準；召回率是指正確診斷為陽性的樣本個數占實際為陽性的樣本個數的比例，代表診斷方法能否查全［22］。本文研究結果（表6）顯示：3種方法診斷中高強度運動的精確率均在90%以上；多指標聯合召回率最高，達到85.38%，提示對于中高強度運動，單一指標和多指標聯合均能查準，但多指標聯合診斷更全。3種方法診斷高強度運動的召回率均在90%以上；多指標聯合的精確率最高，達到86.27%，表明對于高強度運動，單一指標和多指標聯合均能查全，但多指標聯合診斷更準確。一致性檢驗結果也表明，多指標聯合的診斷結果與實測結果的一致性更高（加權Kappa=0.686）。

表6 不同方法診斷準確性與一致性檢驗結果Table 6 Diagnostic accuracy and consistency of the test in the single index and multi-index joint diagnosis

3 討論與展望

3.1 討論

運動促進健康依賴于一定的運動強度，中高強度運動特別是高強度運動對肥胖兒童青少年健康促進的有益作用已被證實［23-24］。生理指標（心率）以及運動信號（VM3）常用于監控日常身體活動［25-27］，在一定范圍內與機體的耗氧量存在高度相關，因此，心率和運動加速度計計數可用于評估運動強度［28］。在實際應用中，為排除個體間安靜心率不同的影響，通常采用心率變化率、最大心率百分比和%HRR等指標評估運動強度［29］。朱琳等［30］采集10~14歲正常體質量兒童青少年實驗室跑臺走、跑運動測試的心率變化率，并通過ROC曲線確定了正常體質量兒童青少年中等強度和高強度運動的診斷切點，具有較高的診斷價值（AUC均在0.85以上）。運動加速度計是身體活動研究領域重要的監測設備，該設備可記錄運動過程中的運動加速度，經過幾十年的發展，運動加速度計已從最初的單軸運動加速度計發展成三軸運動加速度計［31］。運動加速度計采集的原始加速度值不能直接評價運動強度，通常將原始運動加速度值轉化為運動加速度計數點。學者早期建立的運動強度診斷切點主要以單軸（垂直軸）運動加速度計計數點為主；與垂直軸相比，VM3是綜合垂直軸、額狀軸、矢狀軸的計數值，能較為真實地反映人體日常生活狀態下的身體活動情況，因此，VM3在身體活動研究中應用更為廣泛［27，31-32］。

本文研究發現，生理指標%HRR和運動信號VM3對于診斷肥胖兒童青少年的運動強度具有較高的診斷價值，并且%HRR、年齡和VM3能夠用于構建肥胖兒童青少年運動強度的多指標聯合診斷模型。通過比較單一指標和多指標聯合的診斷價值發現，單一指標VM3和%HRR診斷3METs的切點的AUC均未超過0.85（%HRR：0.834，VM3：0.816），診斷價值為中等，而多指標聯合診斷3METs的切點的AUC為0.891，較為顯著地提高了診斷價值。由于3METs的切點是中高強度的診斷切點，而中高強度又是目前運動健康促進領域重點關注的運動強度，因此，多指標聯合能夠提高中高強度的診斷價值，且具有較高的應用價值。

為進一步確定多指標聯合是否能夠準確診斷肥胖兒童青少年的運動強度及其應用價值，采用驗證集數據檢驗其準確性，發現VM3和%HRR診斷中高強度的整體準確率分別為64.81%和74.69%。多指標聯合診斷的整體準確率比VM3高15%，比%HRR高5%，表明多指標聯合診斷的方法能提高單一指標診斷運動強度的準確性。與本文研究結果類似，Chowdhury等［33］也發現，心率結合其他生理指標建立的多指標聯合機器學習模型能夠提高運動強度的診斷準確性。此外，從實際應用的角度看，評價運動強度診斷方法的應用價值時，還應充分考慮對不同運動強度能否查準和查全。從確保肥胖兒童青少年達到“每天60 min中高強度運動、每周至少3 d高強度運動”的身體活動推薦量的角度看，本文對多指標聯合診斷中高強度運動和高強度運動的精確率和召回率進行比較，發現單一指標和多指標聯合診斷中高強度運動的精確率均在90%以上，多指標聯合的召回率比%HRR高約8%；多指標聯合診斷高強度運動的精確率和召回率均高于單一指標，表明多指標聯合更能夠準確、全面地診斷肥胖兒童青少年的運動強度，從而能更有效地確保肥胖兒童青少年身體活動的安全性和有效性。

3.2 展望

本文構建了生理指標%HRR、運動信號VM3診斷運動強度的適宜切點，為肥胖兒童青少年運動強度的多指標聯合診斷提供了相對準確、便捷的方法學參考；以%HRR、VM3和年齡構建了運動強度多指標聯合診斷模型，并證實該模型獲得的多指標聯合預測概率值在肥胖兒童青少年運動強度診斷中的可行性以及應用價值。多指標聯合診斷運動強度的準確率接近80%，未來可通過豐富指標多樣性，增加如步頻、主觀疲勞、皮膚電反應、呼吸等指標，進一步提升診斷的準確性［34］。最新研究［35-36］發現，以運動加速度計的原始加速度值構建運動強度診斷模型的準確性較高，未來可納入原始加速度值，并結合其他復雜算法，進一步提高診斷肥胖兒童青少年運動強度的準確性。此外，未來可進一步開發相關網頁計算器、手機App等，拓展多指標聯合診斷運動強度的應用途徑。

4 結論

生理和運動信號組成的多指標聯合診斷模型可作為肥胖兒童青少年運動強度的診斷標準，多指標聯合能提高運動強度的診斷準確性。單一指標診斷運動強度的標準：低強度為%HRR＜41.66%，VM3＜3 687 counts·min-1；中等強度為41.66%≤%HRR＜63.05%，3 687 counts·min-1≤VM3＜5 247 counts·min-1；高強度為%HRR≥63.05%，VM3≥5 247 counts·min-1。多指標聯合診斷運動強度的標準：低強度為P3METs＞0.315，中等強度為P3METs≤0.315且P6METs＜0.248，高強度為P6METs≥0.248。

作者貢獻聲明：

劉景新：設計論文框架，分析數據，撰寫論文；

朱琳：提出論文主題，確定論文框架，修改論文；

徐佶：調研分析文獻，協助設計論文框架，修改論文；

蘇煜：協助招募受試者，采集數據，修改論文；

孫越鵬：協助招募受試者，采集數據；

廖晶：協助采集數據，校對論文；

胡水：分析文獻，修改論文；

劉曉光：分析文獻，修改論文。