青少年身体活动测量方法的综述

□ 刘玉洁 刘静民（清华大学体育部 北京 100084）

1、前言

随着全面建设小康社会的目标推进，国民体质作为评判一个国家和社会发展水平的重要指标，越来越受到社会各界和国民的广泛关注。从某种意义上讲，整个民族的国民体质已经严重影响到国家的综合国力。而青少年群体作为民族的未来、国家的希望，其体质健康水平的高低直接影响着中华民族在世界舞台上的国际竞争力。但是，由于学业负担重、就业压力大；校园体育的资源不足、体育课程安排不当等客观因素和青少年自身的锻炼意识差、作息不规律等主观因素的影响，我国青少年学生的体质健康水平不容乐观。

据统计，我国6-17岁儿童青少年超重率是9.6%，肥胖率6.4%，这一数据还在呈不断上升的趋势；我国儿童青少年总体近视发病形势严峻，总体近视率为53.6%，高中生近视率高达81.0%。针对我国青少年体质逐年下降的现象，增强青少年的体育锻炼刻不容缓，积极的体育运动不仅可以增加青少年的心肺耐力，减少肥胖的发生，还有助于青少年的心理健康。近年来国家针对增强青少年的体育锻炼出台了一系列的措施但效果甚微，要想有效的促进青少年的身体活动，首先需要有一个合适的评估方法，客观准确的测量青少年的身体活动量，才能进一步提出方案。目前，身体活动测量的方法主要包括标准测量方法、客观测量方法和主观测量方法三大类。

标准测量方法主要包括双标水法、测热法（直接/间接）、直接观察法（行为观察法）、日志记录等，主要用于标定其他研究手段与方法。但是考虑到受试者的身体负担、测量的持续时间、实施条件以及经费等因素，该类型测量方法的应用也受到了极大的限制，以至于近年来这种测量方法并没有取得实质性的发展与进步。

客观测量方法主要包括运动传感器方法、心率监测等，是借助一些简单的仪器，进行测量的客观测量方法。客观测量方法多用于实验研究，是从身体活动能量消耗的角度对身体活动进行的测量。随着越来越准确有效的身体活动测量与评价的出现，这将会是身体活动研究中应用前景最为广阔的客观测量工具。

主观测量法主要是身体活动问卷，尽管问卷测量的方法主观性太强，仍然是大规模的身体活动流行病学研究常用的手段与工具。这种方法主要是从身体活动的强度、频率和每次活动持续时间3个主要方面来测量身体活动的。

三种方法各有利弊，本研究将现有的经典的身体活动测量方法进行总结，希望能够找到适合青少年群体的身体活动测量方法。

2、标准测量法

2.1、双标水法 （Doubly Labeled Water，DLW）

双标水法于1955年由Lifson和他的同事共同发明并于1982年第一次应用于人类研究，是测量自由生活状态下能量消耗最有效、最可靠的方法，被称为是“金标准”。其原理是采用稳定的氚（2H）和 18 氧（18O）同位素对休息时能量消耗（REE）、食物热效应（TEF）和活动能量消耗（AEE）进行测定。它通过给予受试者一定剂量氚（2H）和 18氧（18O）后，测量受试者尿液中标记的2H18O的衰减率，来估计CO2的生成率，然后根据呼吸商（RQ）和经典的Weir公式计算出单位时间内的平均能量消耗。双标水法被广泛认为是测量总能量消耗（TEE）金标准，并在各种研究中被用于验证其他方法。

双标水法除具有较高的准确度外，还具有非侵入性的优点，受试者可在测量期间继续正常活动，对受试者的身体负担较小。然而，该方法的局限性在于其成本高，分析需要昂贵的设备和专业知识。DLW技术的另一个局限是，它提供了测量期间平均每日的总能量消耗，但没有提供任何关于体力活动的能量消耗具体细节。目前，该方法已广泛应用于包括婴儿、孕妇和哺乳期妇女和老年人在内的各种人群，并不适用于大样本的青少年体力活动测量。

2.2、测热法（Calorimetry）

（1）直接测热法（Direct calorimetry）。

直接测热法是用热量计测量受试者的热损失率。它是测定代谢率最准确的方法，但由于成本高，受试者需要24小时或更长时间的监控，应用受到限制。目前有4种直接热量计，即“等温直接热量计”（也称为“热流或导热热量计”），通过在动物室周围的夹套或浴槽中的恒温流体（通常为水）或在连接到外墙表面的铜管网保持恒定的壁温来工作；“散热器直接量热计”由一个腔体构成，通过液冷式热交换器将主体损失的热量排出腔体；“直接对流热量计”，由一个以已知速率通风的隔热室组成。该系统的工作原理是确定进入和离开绝缘室的空气的温度和焓差；“直接差热计”包括两个相同的腔室，其中一个腔室容纳受试者，另一个腔室有一个电加热器，可在两个腔室中产生相同的升温。

（2）间接测热法（Indirect calorimetry）。

间接测热法是通过测量吸气量和呼气量，以及O2和CO2的浓度来实现的。收集气体的方法多种多样，包括 道格拉斯布袋、面罩等。间接量热法是一种准确、无创的方法，可以通过动态代谢系统对室外能量消耗进行评估，但需要专业的经过培训的人员操作。能量消耗由Weir公式计算，公式如下：

能量消耗（kcal）=3.941×VO2（L）+1.106×VCO2（L），其中 VO2是消耗O2的体积，VCO2是产生CO2的体积。

3、客观测量法

3.1、运动传感器法（Motion Sensors）

目前，用于研究的运动传感器主要有两种，一种是加速度计（Accelerometers），分为单轴（通常是垂直方向）和多轴（也就是垂直、水平和横向三个方向）加速度计。另一种是计步器（Pedometers），不仅可以应用于科研，如今还大规模地应用于广大群众的体育锻炼和健身的监控中。

（1）加速度计（Accelerometers）。

科学技术进步使加速度计成为测量体力活动能量消耗的方法之一，20多年来，加速度计一直被用于评估儿童和青少年的身体活动，它甚至在大规模的研究中成为标准，如美国国家健康和营养检查调查。第一个加速度计是由Actigraph公司开发的单轴加速度计，最近他们公司又开发了测量3个平面（三轴加速度计）加速度的新模型，可以通过对垂直（Y）、水平左右（X）和水平前后轴（Z）三个平面的计数积分来计算能量消耗。

如今，不同的公司开发了不同型号的加速度计，并在市场上有售。现在科研中较为常用的是Actigraph和armband两家公司的加速度计，通过配套的系统软件输入受试者的性别、身高、年龄、体重等基本信息后，通过规定时间佩戴仪器便可输出各时段的能量消耗。其原理是基于对物体加速度的测量，加速度是速度随时间的变化，用重力系数的倍数（g=9.8m/s2）表示。某些模型测量1个平面（单轴）、2个平面（双轴）或3个平面（三轴加速度计）的加速度。加速度计以单位时间“计数”的形式产生输出，通过建立预测方程，将这些“计数”化为能量消耗单位，能量消耗的单位通常为为代谢当量（METs）或千卡/分钟。

在最近的一项研究中，Lyden等评估了常用的加速度计方程用于预测能量消耗的准确性。他们的研究结果表明，当前的加速度计预测方程在将加速度计计数转换为能量消耗时存在许多限制，尤其是在各种活动中使用时。一些较新版本的基于加速计的运动传感器增加了额外的传感器，以改进对姿态（如倾斜仪）、方向（如陀螺仪）以及一些信息（如光传感器）的检测。

（2）计步器（Pedometers）。

计步器用于测量步行，步行是最常进行的活动之一，在身体活动问卷和日志中占很大比例。计步器的基本输出是步长计数。除此之外，还可以使用计步器通过步长乘以步数来估算走过的距离。步长受行走速度、身高、年龄、性别等因素影响。一些计步器显示能量消耗为千卡，但不清楚它们显示的是总能量消耗还是体力活动的能量消耗。Crouter等对10个电子计步器测量步数、距离和能量消耗的有效性进行了评估，发现这些工具在评估步数时最准确，在评估距离时更不准确，在评估能量消耗时更不准确。计步器虽然精度较低，但具有成本低的优点，可以作为想要维持日常体力活动的人的自我监控工具。

加速度计和计步器已经广泛被应用于评估身体活动，但也有其局限性。例如，佩戴在臀部的可穿戴加速度计不能检测到上半身的运动，也不能评估工作（例如，负重）或姿势（例如，坐与站）。传感器可以放置在身体的特定部位，如大腿上，以检测姿势，但这种特殊的放置可能会增加参与者的负担，这表明需要进一步的创新方法来最小化这种限制。并且现在还没有研制出防水的运动传感器，所以导致一些水中运动就无法采用此方法。

3.2、心率监测法（Heart rate monitor）

近几年，利用心率来测量身体活动的方法越来越被人们认可和接受，也成为测量青少年体力活动最为普遍的工具之一。首先，在原理上，心率与耗氧量之间存在线性相关的关系。研究已经证实，在中度到剧烈的体力活动中，心率会随着活动强度和耗氧量成比例变化。它们的使用基于心率、活动强度和耗氧量之间的假设关系，因为体力活动使心脏处于压力之下，需要向运动的肌肉细胞输送更多的氧气。然而，在久坐和轻活动的情况下，这种相关性较低，这仍然是心率监测器的局限性之一。心率与VO2之间的关系受混杂因素的影响，如特定的肌肉质量利用率、活动类型、身体健康水平和其他运动相关因素。一些非运动因素也被报道影响心率和VO2之间的关系。研究报告称，电子或磁干扰通过计算机、微波、电视和机动运动设备等设备测量心率，导致读数不稳定和数据丢失。减少这一电气干扰问题的建议包括使心率监测器至少远离电气设备的电路1m，并使心率接收器靠近发射机，从而增强发射机相对于干扰信号的信号。

尽管有这些限制，心率监测器仍然受到研究人员的欢迎，因为它们具有成本相对较低、非侵入性和通用性的优点。它们的使用提供了关于能源消耗、活动强度和持续时间的客观和可靠的信息。如今，在科研领域最为精确且运用广泛的实时监测心率测试仪是polar公司的心率传感设备，很多关于青少年身体活动的测量研究都应用了polar公司的心率带。

4、主观测量法

主观测量法主要是身体活动问卷，常用于样本数量大的流行病学调查研究中，而且研究成本低，步骤简便易行。目前有相当多的问卷应用于身体活动评价，最常用的身体活动问卷包括国际身体活动问卷（IPAQ），全球身体活动问卷（GPAQ），明尼苏达休闲时间身体活动问卷（MLTPAQ），7天身体活动回忆（PAR），修改活动问卷（MAQ），近期身体活动问卷（RPAQ）和前一天身体活动回忆（PDPAR）等。目前问卷用于身体活动研究，调查时间从24h以内到过去1-7天比较常见，但也有过去几个月、几年，甚至更长，调查对象包括儿童，成年人和老人。多数问卷适用于多个人群，也有一些专门针对老人和儿童设计的问卷。问卷调查涉及的内容主要包括工作、家务、庭院活动、闲暇时间、身体锻炼、交通等等，各种方法调查内容不一样，有的只涉及某一方面，有的涉及多个方面。

身体活动问卷给受试者带来了较低的负担，但由于依赖于参与者对所进行的体育活动的记忆，因此受到限制，增加了记忆偏差的风险。在一项对来自欧洲国家的1713名健康受试者的研究发现，使用经过单独校准的心率联合加速度运动传感器的方法，在两个时间点测量进行中到较大强度体力活动（MVPA）的时间。受试者也需完成近期体力活动问卷（RPAQ），国际体力活动简表（IPAQ）和欧洲癌症与营养前瞻性调查体力活动问卷（EPIC-PAQ）。根据不同测量方法得到的信息，受试者被分为活跃（每周MVPA≥150min）或不活跃。采用敏感性、特异性和Kappa值来评价这3种PAQ判定个体是否活跃的准确性。结果显示利用问卷进行自我报告式调查和通过心率联合加速度计进行客观测量的数据均具有非常显著性差异（P＜0.01）。这一结果提示我们，在使用问卷对身体活动进行评价时，应注意其信效度检验、适用人群的针对性和与客观测量工具结合使用。

5、结论

标准测量方法因为其操作繁琐耗时，需要专门经过培训的人员操作，现在在对各个人群身体活动测量的中都已经不太常用，在少量临床实验中还会使用。在客观测量方法中，无论是加速度计，计步器还是心率带近年来应用都比较广泛。特别是随着科学技术的进步，很多智能手机和手环中安装了运动传感器，这对于研究者进行大样本的调查研究有一定说的帮助，但不同品牌的智能设备可能存在测量差异，如何进行校准和保证其稳定性也是一个亟待解决的问题。在对于青少年的身体活动测量中，客观测量法已经被作为金标准来检验体力活动问卷的准确性。这一方面说明了客观测量法的准确度已经得到了认可，另一方面说明它还是不适合进行大样本的测试，在时间和资金上都受到限制。主观测量法虽然简单易行，但其信效度确实容易让人质疑，所以通常将青少年身体活动作为整个研究中的一个变量时，多用身体活动问卷进行测量。

综上所述，目前还没有一种最好的方法可以全面评估青少年身体活动和能量消耗。因此，在选择评估工具的选择取决于研究人员想要测量的身体活动的哪个方面，目标人群的特征，以及这些数据是否将用于描述群体或个人，我们也需要继续研究和开发更稳定，更准确，更便携，更适合青少年的身体活动测量设备。