学龄前儿童每日步数与心肺适能的剂量-效应关系研究

方春意，周 傥，李龙凯，陆耀飞，全明辉

心肺适能（cardiorespiratory fitness）是衡量机体健康水平的重要指标。高心肺适能水平可帮助机体保持最佳的健康状态，降低多种疾病的发病率和死亡率。如每增加1 MET心肺适能水平，可降低22%心源性猝死风险（Lauk‐kanen et al.，2010）。此外，心肺适能的积极作用还表现在提高学习能力等方面（Ortega et al.，2008）。鉴于心肺适能的重要性，美国心脏协会于2016年发表重要声明，建议将心肺适能作为人体第五大生命体征（Ross et al.，2016）。3～5岁学龄前阶段是机体心肺适能发展的关键时期（Ortega et al.，2015）。高心肺适能不仅能促进学龄前儿童生长发育，还对成年时期的健康水平有积极意义（Mali‐na，2001）。因此，如何有效提高学龄前儿童的心肺适能水平已成为健康促进领域的研究热点。

体力活动（physical activity，PA）是健康生活方式的基本组成部分，可显著提升学龄前儿童的心肺适能水平（Bürgi et al.，2011）。近年来，为保证体力活动对健康的促进效应，美国（Committee，2018）、加拿大（Tremblay et al.，2017）、澳大利亚（Okely et al.，2017）以及世界卫生组织（Organization，2019）均指出，学龄前儿童每天应至少积累180 min各种强度的体力活动，中-高强度体力活动时间（moderate to vigorous physical activity，MVPA）不低于60 min。这使得学龄前儿童日常体力活动有据可依，但对普通大众而言存在难以理解和监测的缺点，一定程度上限制了指南的广泛应用。

步行作为一种最普遍的体力活动形式（Ham et al.，2009），不需要复杂的运动技能，又有着易于理解和监控的优点。研究已证实MVPA与心肺适能显著相关（Ruiz et al.，2006），每日步行数又与MVPA显著关联（Gabel et al.，2013）。但目前对于学龄前儿童每日步数与心肺适能间关系的研究还鲜有报道（Committee，2018）。本研究以此为切入点，旨在探讨学龄前儿童每日步数与心肺适能之间的剂量-效应关系，假设两者之间存在正向的剂量-效应关系。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

本研究数据来源于“学龄前儿童身体活动对体质及认知发展的影响研究”（Trial Registration：ChiCTR-OOC-15007439）的基线数据（Zhao et al.，2017）。开展过程中，出于实验实际可操作性考虑，连续招募7家位于上海市杨浦区和宝山区的幼儿园参与本研究。征得幼儿园负责人同意后，由园方组织家长会进行项目宣讲和受试者招募。受试者纳入标准具体如下：1）幼儿园内中班的学龄前儿童，年龄为3～5岁；2）身体健康且无心血管呼吸系统疾病；3）受试者家长或法定监护人清楚地知晓实验内容并签署知情同意书。本实验已通过上海体育学院伦理委员会同意（伦理审批号：2015028）。

1.2 研究方法

1.2.1 身体形态学指标测量

受试者身高、体重指标测量按照《国民体质测定标准手册（幼儿部分）》标准进行（国家体育总局，2003），体质指数（body mass index，BMI）为体重（kg）除以身高（m）的平方，单位为kg/m2。

1.2.2 每日步数测量

受试者每日步数（daily step counts）测量采用连续7天（5个工作日和2个周末日）佩戴三轴加速度计（ActiGraph LLC，Pensacola，FL，USA）进行记录。该工具已被广泛应用于学龄前儿童每日步数测量（Craemer et al.，2015）。加速度计佩戴通过一个可调节式弹力带固定于右侧腰间髂嵴上部，除睡觉、洗澡及游泳等情况外，其他时间均要求佩戴。采样间隔（epoch time）设置为1 s（Hislop et al.，2012），每日步数低于1 000步或高于30 000步视为无效数据，排除出最终统计分析（Rowe et al.，2010）。受试者加速度计数据要求7天中至少3天（2个工作日和1个周末日）数据有效才被纳入最终统计分析（Penpraze et al.，2006）。

1.2.3 心肺适能指标测量

本研究采用20 m往返跑（20 m shuttle run test，20 m SRT）以及 Léger公式估算的最大摄氧量（O2max）评价受试者心肺适能（Léger et al.，1988）。20 mSRT已被证实可有效评价学龄前儿童心肺适能水平（Ortega et al.，2015）。该测试进行1次，单位为圈（laps），O2max单位为ml/kg/min。

1.2.4 统计分析方法

将受试者数据根据性别进行分组分析。对于男、女童组中符合正态分布的数据采用平均数±标准差（M±SD）进行描述，并采用独立样本T检验（independent T test）进行比较；不符合正态分布的数据采用中位数和四分位数间距进行描述，并采用曼惠特尼U检验（Mann-Whit‐ney U test）进行比较。每日步数以及20 mSRT数据分布在±3个标准差之外的视为离群值，排除出最终统计分析。统计分析通过如下3步依次进行。

数据分析采用基于R语言的易侕统计软件，显著性水平定义为P＜0.05。

2 研究结果

本研究募集到7个幼儿园的370名学龄前儿童，其中75人不符合纳入标准被排除出统计分析，因此共295人纳入最终统计分析，其中男童168名，女童127名（图1）。

图1 学龄前儿童募集流程图Figure1.FlowChart of the PreschoolChildreninPresent Study

男、女童基本信息中，男童的身高、体重和BMI 3个指标显著高于女童，其他指标男、女童间无明显差异（表1）。

表1 学龄前儿童基本信息Table 1 Basic Information of Preschool Children

表2 学龄前儿童每日步数与心肺适能的剂量-效应关系分析Table 2 Dose-response Relationship between Daily Step Counts and Cardiorespiratory Fitness in Preschool Children

图2 学龄前儿童每日步数与心肺适能的剂量-效应关系分析Figure 2.Association between Daily Step Counts and Cardiorespiratory Fitness in Preschool Children

3 讨论

本研究在于探索每日步数与心肺适能之间的剂量-效应关系。研究发现，男、女童中每日步数与心肺适能之间均存在显著的剂量-效应关系，即每日步数越多，心肺适能表现越好。在男童中，该关系存在非线性关系，每日步数超过6 000步时，O2max显著增加，女童中尚未发现此阈值效应。

目前，体力活动对心肺适能的积极作用已被大量研究证实。横断面研究显示，不论是何种体力活动，均与心肺适能水平显著相关，每天积累高强度体力活动40 min以上的儿童心肺适能要高于18 min以下的儿童（Ruiz et al.，2006）。西班牙学者Cabanas-Sanchez等（2018）指出，不论是男童还是女童，活跃的儿童心肺适能水平显著优于久坐儿童。2项队列研究也一致指出体力活动对于心肺适能有显著的促进作用（Bürgi et al.，2011；Leppänen et al.，2017）。既往研究更多地关注不同强度体力活动对心肺适能的影响，MVPA对心肺适能的改善发挥着更好的积极作用（Ruiz et al.，2006）。本研究关注每日步数与心肺适能之间的关系，结果与前期研究发现一致。虽然每日步数在运动实践中更易于监测和理解，但由于其不能很好地反映运动强度（现行体力活动指南更强调运动强度的重要性），因此在实践应用中受到不少质疑。我们认为，即使步数不能很好地反映运动强度，但也不失为一个极好的健康相关观察指标。其原因如下：1）相较现行体力活动指南中推荐的MVPA，每日步数显然更容易监测（计步器、手机等）以及被大众理解，势必更容易被推广应用；2）研究表明（Gabel et al.，2013），每日步数与MVPA存在高度相关；本研究未呈现的结果也发现两者高度相关（r=0.83，P＜0.001）；3）研究发现，即使是低强度运动，对心肺适能也可能存在积极的促进作用（Martinez-Gomez et al.，2010）。大型人群队列研究发现，未来死亡风险的预测仅与每日步行数显著关联，与步行强度无关（Lee et al.，2019）。因此，本研究有着极重要的实践应用价值，是对已有研究的重要补充。

学龄前儿童每日应步行多少，才能达到理想的健康促进效应，现有研究尚无统一结论。前期研究主要探讨了每日步行多少才能达到现行指南中的体力活动推荐量，但不同研究间的结果差异较大。如Vale等（2015）发现，为达到每日至少180 min任意强度的体力活动须每日至少步行9 000步。Gabel等（2013）则发现，每日只需步行6 000步即可达到该要求。本研究与Gabel等（2013）一致，而Vale等（2015）和Gabel等（2013）的研究差异较大。后者差异较大可能是采用了不同的加速度计切点（MVPA切点，≥1 680 versus≥3 200 counts/min）所致（Bornstein et al.，2011）。因此，采用不同切点的研究可能不宜做横向比较。但目前同类研究中尚无关于学龄前儿童每日推荐步数的研究，本研究至少积累6 000步每日步数是使男童O2max显著增加的适宜步数是对此类研究的重要补充。

此外，每日步行数与心肺适能之间的剂量-效应关系在男童中存在饱和阈值效应，而在女童中却未发现同样的曲线关系。出现这种现象可能的原因是，女童样本量较少，尚未达到发现步行数与心肺适能之间真正关系的要求，提示今后可通过增加女童样本量进一步验证两者的关系。

步行作为日常体力活动的基本形式，对心肺适能促进作用的潜在机制可能有以下几种：1）体力活动使线粒体产生适应性改变，即体力活动促进线粒体生物合成，数量增加，体积增大，氧化磷酸化水平提高，机体有氧代谢能力增强（Drake et al.，2016；Egan et al.，2013；Gan et al.，2018）；2）体力活动改变骨骼肌毛细血管结构和数量，提高肌肉功能，提升基础代谢率，增加循环系统和呼吸系统相应部位血流，从而促进心肺适能（Gliemann et al.，2015）；3）体力活动可提高迷走神经对心脏的自主调节能力（Laukkanen et al.，2010；Tulppo et al.，1998），从而促进心肺适能；4）由体力活动诱导的心脏生理性重塑，使得心肌结构发生变化，功能得到强化，心脏射血分数得到提高，心脏运动适应性增强（王世强等，2017）；5）体力活动可提高机体血乳酸耐受水平，加快乳酸清除速率，从而提高机体无氧能 力（Bergman et al.，1999；San-Millán et al.，2018）；6）体力活动有助于降低肥胖人群的BMI和腰围水平，而肥胖与机体心肺适能水平负相关，因此体力活动可有效提升心肺适能水平（Perez-Bey et al.，2019），降低肥胖，进一步提高心肺适能水平（Labayen Goñi et al.，2017），形成良性循环。综上所述，体力活动可通过多种途径有效地提高心肺适能水平。

本研究有如下2个优点：1）据我们所知，是首个探讨学龄前儿童每日步数与心肺适能的研究；2）采用分类和线性统计2种方法探讨每日步数与心肺适能之间的剂量-效应关系，研究结果证据力度更高。此外，本研究还存在如下缺点：1）为横断面研究，只能得出研究变量之间的相关关系，而不是因果关系；2）考虑到研究的可行性，采用方便抽样的方法，研究结论的推广可能会受到一定限制，后续研究中会进一步验证。

4 结论

本研究显示，每日步数与心肺适能之间存在显著的正向剂量-效应关系，且为达到较好的心肺适能水平，建议男童每日步数至少积累6 000步。后续研究应进一步开展关于每日步数与心血管疾病、认知能力等健康指标之间关系的探讨。