置于身體不同部位可穿戴式電子計(jì)步器準(zhǔn)確性和可靠性的研究

陳成香 ，潘加浩， 魏書(shū)濤，安 霞

(1.福建技術(shù)師范學(xué)院，福建 福清 350300；2. 三六一度(中國(guó))有限公司，福建 廈門 361009；3. 廣州體育學(xué)院，廣東 廣州 510500 )

計(jì)步器作為日常生活中最為常見(jiàn)的可穿戴設(shè)備，其最為主要的應(yīng)用是記錄穿戴者每日的步數(shù)。隨著大眾對(duì)身體健康日益重視和科學(xué)運(yùn)動(dòng)概念的不斷推廣普及，它已經(jīng)被廣泛的作為監(jiān)控運(yùn)動(dòng)量的一種手段[1-3]。并且可以幫助監(jiān)控肥胖和代謝相關(guān)疾病的人群的日?；顒?dòng)，幫助他們制定運(yùn)動(dòng)處方，從而促進(jìn)其健康和養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣[4, 5]。根據(jù)研究證據(jù)，大多數(shù)的研究人員推薦步行10000步/天，能夠有利于身體健康[6]，有利于防止慢性疾病[7, 8]的發(fā)生；快走2000步/天可以有效地降低疾病的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

科學(xué)研究提供了大量的證據(jù)證明應(yīng)用計(jì)步器來(lái)評(píng)估人體的身體活動(dòng)是可行和有效的，并且能夠有利于緩解相關(guān)慢性疾病[10-14]。根據(jù)一項(xiàng)早期的meta分析，其結(jié)果表明老年人使用計(jì)步器能夠顯著性的增加他們的身體活動(dòng)，并且顯著性的減小他們的BMI指數(shù)以及血壓[10]。此外，一項(xiàng)為期4年的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)患有2型糖尿病的中年人，使用計(jì)步器記錄每天的身體活動(dòng)的患者其動(dòng)脈硬化的速度更為緩慢[11]。因此，消費(fèi)者可以在市面上購(gòu)買到各式各樣不同品牌的計(jì)步器。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，計(jì)步器的準(zhǔn)確性直接決定了運(yùn)動(dòng)量判斷的準(zhǔn)確性。因此為了確定不同品牌計(jì)步器的精確性，研究人員做了大量的研究，其中包括基于正常生活情況[14-18]、實(shí)驗(yàn)室情況[19-27]以及兩者相結(jié)合的情況[28-30]。Fitbit和Actigraph計(jì)步器是全世界范圍內(nèi)最流行的商業(yè)化計(jì)步器，并且可以極為便利的用于日?；顒?dòng)量的監(jiān)測(cè)[14-18]。但是，這種基于正常情況的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一種不可避免的局限性，就是無(wú)法基于某個(gè)金標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)價(jià)計(jì)步的準(zhǔn)確性。因此，基于實(shí)驗(yàn)室壞境的研究設(shè)計(jì)可以很好避免這一局限性。在一項(xiàng)研究中，研究人員要求受試者佩戴不同品牌的計(jì)步器完成400m的步行，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)Kenz Lifecorder, Yamxa Digi-walker SW-701和New Lifestyles NL-2000計(jì)步器的誤差在正負(fù)3%之內(nèi)，但是Omron HJ-105和Sportline 330的誤差為正負(fù)37%[19]。此外，也有相關(guān)的研究比較了400m快走以及上下樓梯時(shí)佩戴某一品牌的計(jì)步器的誤差，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)步數(shù)的誤差分別為2.3%, 19.9%和10.8%[22]。在另外的實(shí)驗(yàn)室研究中，研究人員證明了Fitbit One和Fitbit Zip計(jì)步器在步行時(shí)的誤差分別為1.3%[21]和小于1%[23]。

盡管大量的研究已經(jīng)評(píng)價(jià)了不用品牌計(jì)步器的準(zhǔn)確性，但是只有極少一部分的研究關(guān)注佩戴于不同部位的計(jì)步對(duì)準(zhǔn)確性造成的影響。在日常生活中，常會(huì)觀察到有些人會(huì)將計(jì)步器佩戴于手腕，也有的人會(huì)習(xí)慣性的佩戴于腰間。在某項(xiàng)研究中，研究者讓受試者用繩子綁住計(jì)步器掛于脖子上，沿著腋中線和鎖骨中線放置于左右腰間和左右褲帶上，結(jié)果證明放置于鎖骨中線的延長(zhǎng)線的腰間和褲帶的準(zhǔn)確率最高，分別為1.2%和6.3%[31]。在另外一項(xiàng)研究中，發(fā)現(xiàn)放置于褲帶、肩帶和背包內(nèi)的計(jì)步器的計(jì)步精確性存在差異[32]。顯然，這些證據(jù)無(wú)法證明將計(jì)步器佩戴于哪一身體部位可以得到最為準(zhǔn)確的結(jié)果。而且，由于智能運(yùn)動(dòng)鞋的發(fā)展，也有大量的計(jì)步器是被至于運(yùn)動(dòng)鞋中底內(nèi)。因此，計(jì)步器佩戴位置和其準(zhǔn)確性之間的關(guān)系尚不明確。

綜上所述，并沒(méi)有研究評(píng)價(jià)放置于運(yùn)動(dòng)鞋中底的計(jì)步器的準(zhǔn)確性。因此，智能運(yùn)動(dòng)鞋能否給穿戴者提供準(zhǔn)確的身體活動(dòng)數(shù)據(jù)，從而幫助穿戴者評(píng)價(jià)自己的運(yùn)動(dòng)量，為科學(xué)健身提供輔助。本研究通過(guò)比較步行、慢跑和上下樓梯時(shí)，放置于不同部位(手腕、腰部和鞋底)的計(jì)步器的計(jì)數(shù)與金標(biāo)準(zhǔn)(錄像記錄)之間的差異，用于確定其準(zhǔn)確性。

1 調(diào)查對(duì)象與方法

1.1 調(diào)查對(duì)象

本研究共招募20人健康成年人作為被試對(duì)象。其排除標(biāo)準(zhǔn)包括：(1)BMI大于32kg/m2；(2)半年內(nèi)進(jìn)行過(guò)下肢手術(shù)；(3)患有任何影響步態(tài)的疾??；和(4)測(cè)試前12h內(nèi)進(jìn)行過(guò)劇烈運(yùn)動(dòng)。受試者基本情況見(jiàn)表1。

表1 受試者基本情況 (x ± SD)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

兩個(gè)型號(hào)為Fitbit Zip(Fitbit公司, 圣弗朗西斯科, 美國(guó))(圖1)的可穿戴式電子計(jì)步器。其分別放置于受試者的右手手腕和鎖骨中線延長(zhǎng)線的腰部。放置于鞋中底的計(jì)步器使用三六一度(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的第二代智能跑鞋。所有的計(jì)步器都是基于加速度傳感器設(shè)計(jì)的。

1.2.2 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，測(cè)試人員按照標(biāo)準(zhǔn)位置將加速度計(jì)固定于受試者的手腕和腰部，且讓受試者穿上相匹配鞋碼的智能運(yùn)動(dòng)鞋。受試者按照實(shí)驗(yàn)要求以自我選擇的速度依次完成步行、慢跑和上下樓梯。步行和慢跑測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)的400m塑膠跑道上進(jìn)行，上下樓梯在總共17層的樓梯上來(lái)回10次。在受試者進(jìn)行每一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，測(cè)試人員使用攝像機(jī)(尼康，日本)記錄下整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。七天后所有受試者重復(fù)上述測(cè)試，但不使用攝像機(jī)記錄測(cè)試過(guò)程，測(cè)試人員記錄下安裝在不同部位計(jì)步器上顯示的步數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

攝像機(jī)記錄的數(shù)據(jù)解析由三名測(cè)試人員共同完成。首先，其中兩名實(shí)驗(yàn)人員分別通過(guò)視頻解析軟件，數(shù)出每一位受試者在進(jìn)行不同任務(wù)書(shū)時(shí)實(shí)際行走的步數(shù)。如果兩人最后得到的步數(shù)相一致，視為準(zhǔn)確步數(shù)；如果兩人最后得到的步數(shù)不一致，此時(shí)需要第三名測(cè)試人員重復(fù)上述過(guò)程，直到所有人得到相同的步數(shù)。此步數(shù)作為金標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)步器記錄的步數(shù)進(jìn)行比較。

誤差分?jǐn)?shù)(error scores)被計(jì)算，其表達(dá)式如下：金標(biāo)準(zhǔn)-計(jì)步器測(cè)得的步數(shù)。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

首先，使用中位(median)和四分位距(interquartile range)用以評(píng)價(jià)計(jì)步器記錄步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，用以確定相對(duì)于金標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性和隨機(jī)性偏離。箱圖(box plot)用以視覺(jué)化的展示計(jì)步器記錄步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，用以確認(rèn)計(jì)步器至于不同位置和不同任務(wù)情況下的效度[32]。

其次，單因素方差分析用以評(píng)價(jià)在步行、慢跑和上下樓梯時(shí)，放置在不同位置的計(jì)步器誤差分?jǐn)?shù)之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。當(dāng)出現(xiàn)顯著性差異時(shí)，Bonferroni事后分析被執(zhí)行檢查佩戴位置之間的差異。相對(duì)百分誤差(mean absolute percentage error, MAPE)是通過(guò)計(jì)算百分誤差的絕對(duì)值的算術(shù)平均值得到的，其同樣是用以判斷精確性的方法。Bland-Altman圖也被繪制用以顯示不同情況下計(jì)步器記錄步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的一致性。其平均差(表示與零之間的差異)越小其結(jié)果的準(zhǔn)確性越高。

最后，克朗巴哈系數(shù)法(Cronbach’s alphas)用以前測(cè)和后測(cè)之間的可靠性。顯著性的克朗巴哈系數(shù)設(shè)置為0.08[33]。

所有數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯著性水平設(shè)置為0.05。

2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

圖1 佩戴在不同位置的計(jì)步器記錄的步數(shù)以及通過(guò)攝像機(jī)記錄的步數(shù)的中位(median)和四分位距(interquartile range)示意

圖1描述的是在步行、跑步和上下樓梯時(shí)，佩戴在不同位置的計(jì)步器記錄的步數(shù)以及通過(guò)攝像機(jī)記錄的步數(shù)的中位(median)和四分位距(interquartile range)。當(dāng)計(jì)步器佩戴在腕部時(shí)，步行時(shí)記錄的步數(shù)表現(xiàn)為較高的變異性(明顯的低估了實(shí)際的步數(shù))。此外，進(jìn)一步觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論計(jì)步器佩戴在何種部位跑步時(shí)記錄步數(shù)的變異性相對(duì)大于走路和上下樓梯的。最后，上下樓梯時(shí)各部位計(jì)步器記錄步數(shù)的變異性是最小的。

圖2顯示的是不同情況下誤差分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果顯示步行(F2, 57=11.789,p< .05)、跑步(F2, 57=5.399,p< .05)和上下樓梯(F2, 57=6.106,p< .05)都存在顯著性的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。事后分析發(fā)現(xiàn)在步行時(shí)，腰部和鞋中底的計(jì)步器記錄的步數(shù)顯著性的精確于腕部(p< .05)。此外，在慢跑和上下樓梯時(shí)，中底內(nèi)的計(jì)步器的精確性顯著性的高于腕部的計(jì)步器(p< .05)。

圖2 在步行、慢跑和上下樓梯時(shí)，佩戴在不同位置的計(jì)步器的誤差分?jǐn)?shù)之間的差異示意圖?！?”代表腕部和腰部以及腕部和鞋中底之間存在顯著性差異；“*”代表腕部和鞋中底之間存在顯著性差異

BA圖表示不同位置計(jì)步器記錄的步數(shù)的誤差分?jǐn)?shù)對(duì)于零的離散程度(見(jiàn)圖4)。結(jié)果顯示在步行和慢跑時(shí)放置于腰間的計(jì)步器以及在所有運(yùn)動(dòng)情況下放置于鞋中底的計(jì)步器都表現(xiàn)為極高的精確性，其95%預(yù)測(cè)區(qū)間距離零值得誤差小于20步。在慢跑和上下樓梯時(shí)計(jì)步器佩戴在手腕以及計(jì)步器佩戴在腰部進(jìn)行上下樓梯時(shí)表現(xiàn)為適中的精確性，其95%預(yù)測(cè)區(qū)間距離零值得誤差小于37步。最后，在步行時(shí)，腕部佩戴的計(jì)步器記錄的步數(shù)表現(xiàn)為較低的精確性，其95%預(yù)測(cè)區(qū)間距離零值得誤差小于160步。

圖4 不同計(jì)步器佩戴部位和運(yùn)動(dòng)情況的Bland-Altman圖，實(shí)線代表零值，虛線代表95%的預(yù)測(cè)區(qū)間

在步行、慢跑和上下樓梯的情況下，當(dāng)計(jì)步器佩戴于不同的部位(腕部、腰部和鞋中底)記錄的步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)差值的中位和四分位距以及相對(duì)誤差值的結(jié)果顯示在圖2中。在所有運(yùn)動(dòng)情況下，放置于腰部和鞋中底的計(jì)步器表現(xiàn)為較小的相對(duì)誤差值(MAPE<3)。放置于腕部的計(jì)步器在慢跑和上下樓梯時(shí)表現(xiàn)為較小的相對(duì)誤差值(MAPE<3)，但是在走路時(shí)其相對(duì)誤差值偏大(MAPE=9)。

表2 計(jì)步器佩戴不同部位和運(yùn)動(dòng)情況下記錄的步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)差值的中位(四分位距)值和相對(duì)誤差值(%)的情況

Median (IQR), 中位和四分位距; MAPE, 相對(duì)百分誤差。正值代表對(duì)步數(shù)的高估，負(fù)值代表對(duì)步數(shù)的低估。

當(dāng)進(jìn)行步行和慢跑時(shí)，無(wú)論計(jì)步器佩戴在腕部、腰部還是鞋中底，模型內(nèi)都顯示為較高的可靠性(R>.80)。但是，在進(jìn)行上下樓梯時(shí)，無(wú)論計(jì)步器佩戴在腕部、腰部還是鞋中底，模型內(nèi)都顯示為較低的可靠性(R < .80)。

表3 計(jì)步器放置于不同位置和運(yùn)動(dòng)情況下的模型間的可靠性(克朗巴哈系數(shù))

3 討論

本研究的主要目的在于確認(rèn)在步行、慢跑和上下樓梯時(shí)，佩戴在不同身體部位計(jì)步器(腕部、腰部和鞋中底)記錄的步數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)比較計(jì)步器記錄的步數(shù)和攝像機(jī)記錄的步數(shù)(金標(biāo)準(zhǔn))的差異來(lái)確認(rèn)精確性。通過(guò)比較前測(cè)和后測(cè)的一致性或重復(fù)性來(lái)確認(rèn)可靠性。結(jié)果顯示受試者在步行和慢跑時(shí)，腰部和鞋中底佩戴計(jì)步器有著顯著性較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

首先，本研究證明了計(jì)步器佩戴在不同的位置是存在顯著性差異的，在步行時(shí)佩戴于腰部和鞋中底的計(jì)步器其精確性顯著性的高于腕部。也就是說(shuō)，在步行時(shí)當(dāng)計(jì)步器佩戴在腕部時(shí)表現(xiàn)為很高的變異性，更低的精確性(MAPE=9)和明顯低估實(shí)際的步數(shù)。在自我選擇的速度下步行400m(大約500步)其計(jì)步器的誤差大約在160步左右。因此，我們認(rèn)為將計(jì)步器佩戴在腕部是不可接受的。其可能的原因是由于我們受試者的步行速度過(guò)于緩慢(1.28到1.68 m/s)，手臂的擺動(dòng)幅度相對(duì)較小。先前的研究已經(jīng)證明了基于加速傳感器的計(jì)步器，在慢速步行時(shí)往往會(huì)存在較大的誤差[32, 34]。例如，Mcclian JJ等發(fā)現(xiàn)計(jì)步器佩戴于腕部時(shí)的百分誤差和絕對(duì)百分誤差值在緩慢步行時(shí)有更大的偏離性，尤其是速度小于1.33 m/s；但是在高速行走時(shí)，這些值表現(xiàn)為更高的聚合性[34]。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)在腕部佩戴ActiGraph WG7X+計(jì)步器其相對(duì)于金標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)誤在慢速行走時(shí)(0.44到1.67 m/s)是更大的(MAPE=22-47)[32]。但是，在本研究中，在步行時(shí)佩戴在腰部的計(jì)步器表現(xiàn)為很低的變異性和很高的精確性(MAPE < 1)。其可能的原因是由于Fitbit Zip使用的是三軸、高精度角速度傳感器，放置于腰部能夠更有效的測(cè)得垂直方向上的加速度變化。與此同時(shí)，在步行時(shí)將計(jì)步器放置于鞋中底，其記錄的步數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間表現(xiàn)為非常小的偏差(MAPE < 1)，從而十分適合用以監(jiān)控流動(dòng)性較強(qiáng)的日常活動(dòng)。因此，根據(jù)先前的研究和本研究的結(jié)果，將計(jì)步器置于腕部可能會(huì)輕微的高估在與日常生活有關(guān)的活動(dòng)中產(chǎn)生的步數(shù)[14-18]。所以，將計(jì)步器置于腕部可能會(huì)對(duì)佩戴者的運(yùn)動(dòng)量造成錯(cuò)誤的估計(jì)。

當(dāng)慢跑和上下樓梯時(shí)，結(jié)果僅顯示鞋中底的計(jì)步器比腕部的計(jì)步器記錄的步數(shù)的精確性高。但是，我們也不得不注意當(dāng)計(jì)步器佩戴與腕部時(shí)同樣也表現(xiàn)出日益減少的變異性和日益增加的精確性(MAPE < 3)。雖然沒(méi)有研究驗(yàn)證跑步時(shí)計(jì)步器佩戴在不同部位對(duì)精確性的影響，但是有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)以1.78m/s進(jìn)行快走時(shí)，腰部佩戴Fitbit Zip計(jì)步器表現(xiàn)為很高的精確性(步數(shù)差小于1%)[23]；當(dāng)以1.67m/s進(jìn)行快走時(shí)，腕部佩戴Garmin Vivofit計(jì)步器也表現(xiàn)為很高的精確性(MAPE < 3)[32]。此外，本研究腰部佩戴的計(jì)步器的計(jì)步數(shù)值的中位和四分位距值表現(xiàn)為低于實(shí)際的步數(shù)，其可能是由于跑步時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的干擾信號(hào)。類似于在上下樓梯時(shí)，腕部和腰部佩戴的計(jì)步器僅表現(xiàn)為中等精確性，其95%預(yù)測(cè)區(qū)間距離零值得誤差大約為37步。其實(shí)，在先前的研究中，在進(jìn)行上下樓梯時(shí)腰部佩戴Yamax SW-700 Digiwalker計(jì)步器和Fitbit Zip計(jì)步器步數(shù)差異大約分別為9%[35]和6%[23]。其可能的原因是由于上下樓梯足部接觸地面產(chǎn)生的沖擊加速度小于地面步行[35]。上下樓梯時(shí)腕部計(jì)步器表現(xiàn)為中等精確性，其可能原因是由于在上下樓梯時(shí)，手臂的擺動(dòng)模式和平地步行時(shí)相類似。在慢跑和上下樓梯時(shí)鞋中底嵌入的計(jì)步器都表現(xiàn)為極其高的精確性，其95%預(yù)測(cè)區(qū)間距離零值得誤差大約為20步并且相對(duì)誤差值小于1%。其主要原因是由于在足接觸地面時(shí)產(chǎn)生的加速度直接作用于鞋底，因此基于加速度計(jì)的計(jì)步器能夠更好的感受到加速度的變化，從而準(zhǔn)確的記錄步數(shù)。

根據(jù)先前的研究，研究人員建議應(yīng)使用計(jì)步器計(jì)數(shù)和金標(biāo)準(zhǔn)之間的誤差小于1%的計(jì)步器來(lái)監(jiān)控日?；顒?dòng)[36]。在本研究中，所有運(yùn)動(dòng)條件下只有鞋中底內(nèi)嵌入的計(jì)步器的準(zhǔn)確性滿足上述要求。另一方面，根據(jù)本研究的結(jié)果可以觀察到在步行和跑步時(shí)所有部位的計(jì)步器都表現(xiàn)為較高的可靠性(alpha>0.80)。但是，在上下樓梯時(shí)所有部位的計(jì)步器都表現(xiàn)為較低的可靠性，尤其是腕部(alpha=0.40)和腰部(alpha>0.65)。雖然佩戴在腕部和腰部有較低的變異性，但是也表現(xiàn)為較低的可靠性，所以計(jì)步器佩戴在這些身體部位得到的步數(shù)用以判斷身體活動(dòng)水平可能是不可接受的。嵌入鞋中底內(nèi)的計(jì)步器與較高的可靠性值(0.80)僅有0.1%的差異。因此，結(jié)合先前的研究結(jié)果[23, 35]和本研究的結(jié)果，可以認(rèn)為嵌入在鞋中底內(nèi)的計(jì)步器是監(jiān)控日常活動(dòng)情況的最佳選擇。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)上下樓梯時(shí)腕部和腰部佩戴計(jì)步器表現(xiàn)為較低或中等的精確性以及較低的可靠性，但是嵌入鞋中底的計(jì)步器在所有情況都表現(xiàn)為較高的精確性和適中的可靠性。因此，嵌入鞋中底的計(jì)步器能夠精確和有效的記錄日常生活中人體的日?；顒?dòng)情況。從而能夠?yàn)檠芯咳藛T、教練員以及康復(fù)治療師提供有用的數(shù)據(jù)，幫助他們更科學(xué)的制定運(yùn)動(dòng)處方和訓(xùn)練計(jì)劃。