基于K-means聚類分析的嬰幼兒睡眠模式及與母乳喂養(yǎng)關(guān)系的研究

梁雅麗 馬潔 張?jiān)?張敏 何海燕 王守桂 黃月娥

（1.皖南醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，安徽蕪湖 241002；2.蕪湖市婦幼保健計(jì)劃生育服務(wù)中心（蕪湖市婦幼保健院），安徽蕪湖 241000）

睡眠與嬰幼兒身體狀況、認(rèn)知、行為和情緒的發(fā)展關(guān)系密切［1-2］。影響嬰幼兒睡眠的因素較多，已有研究提示喂養(yǎng)方式與嬰幼兒睡眠相關(guān)，但結(jié)論尚存在爭議。Huang 等［3］研究發(fā)現(xiàn)，配方奶粉喂養(yǎng)的嬰兒比母乳喂養(yǎng)者睡眠時間長，但也有研究發(fā)現(xiàn)，盡管母乳喂養(yǎng)的嬰兒夜醒次數(shù)較多［4］，但睡眠時間并不減少［5］。還有研究提示出生6 個月后2 種喂養(yǎng)方式嬰兒的夜醒次數(shù)無明顯差別［6］。

目前關(guān)于嬰幼兒睡眠的研究，主要集中在對孤立的睡眠特征進(jìn)行探討，并不能反映睡眠的多維性，有必要采取一種更全面的探討模式，將這些孤立的特征綜合分析。同時嬰幼兒睡眠需求存在高度個體差異，對于嬰幼兒睡眠的研究還應(yīng)關(guān)注此特點(diǎn)。K-means聚類分析是一種無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可綜合研究對象的多個特征（定量變量）進(jìn)行相似性分析，即可實(shí)現(xiàn)研究對象多特征整體分析，也可實(shí)現(xiàn)在變異大的群體內(nèi)劃分出性質(zhì)更接近的亞群。在臨床上對成人睡眠分期的判定，K-means聚類分析已成為睡眠狀態(tài)診斷的有效輔助方法［7］。在青年運(yùn)動員睡眠亞類的識別中，K-means聚類分析有助于教練全面發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員的睡眠問題，制定針對性的干預(yù)策略［8］。但目前該方法尚未應(yīng)用到嬰幼兒睡眠領(lǐng)域，為此，本研究通過K-means聚類分析識別嬰幼兒睡眠的典型類別及各類特征，為后期開展契合嬰幼兒睡眠特點(diǎn)的促進(jìn)措施提供依據(jù)。同時探討睡眠類別與喂養(yǎng)情況的關(guān)系，由于聚類內(nèi)研究對象的同質(zhì)性更高，分析結(jié)果更為可靠，為深入闡明母乳喂養(yǎng)與嬰幼兒睡眠的關(guān)系提供證據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選擇2021 年4～6 月在蕪湖市婦幼保健院、無為市社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心兒童保健門診進(jìn)行常規(guī)體檢的7～35 月齡嬰幼兒作為研究對象。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）足月單胎兒；（2）自然受孕；（3）Apgar 評分＞7分。排除標(biāo)準(zhǔn)：體格檢查異常者。共計(jì)1 148名嬰幼兒納入最終分析。本研究已征得家長知情同意，并通過了皖南醫(yī)學(xué)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 資料收集

采用自制問卷收集兒童的年齡、性別、出生方式、室外活動時間、每日看手機(jī)或電視的時間、母親文化程度、母親生育年齡、家庭類型及家庭人均月收入。

1.3 簡明嬰兒睡眠問卷

簡明嬰兒睡眠問卷（Brief Infant Sleep Questionnaire，BISQ）廣泛應(yīng)用于0～3 歲嬰幼兒睡眠情況的調(diào)查［9］。依據(jù)監(jiān)護(hù)人對嬰幼兒近2周睡眠情況的描述，記錄嬰幼兒的睡床情況、就寢時間、入睡潛伏期、睡眠時間、夜醒次數(shù)、夜醒時間等內(nèi)容。依據(jù)我國《0 歲～5 歲兒童睡眠衛(wèi)生指南》［10］，通過評價就寢時間（不晚于21∶00）、入睡潛伏期（≤20 min）、睡眠時間（不超出對應(yīng)年齡段的推薦睡眠時間）等指標(biāo)，判斷嬰幼兒的睡眠模式是否存在異常。各年齡段的推薦睡眠時間：4～11 月 齡 者 為12～16 h；12～35 月 齡 者 為11～14 h［10］。

1.4 喂養(yǎng)情況問卷

參照張紅等［11］及葉奧星等［12］的調(diào)查條目設(shè)計(jì)問卷，包括2部分：（1）生后6個月內(nèi)的喂養(yǎng)方式：純母乳喂養(yǎng)（僅以母乳作為食物）、混合喂養(yǎng)（指當(dāng)母乳不足時，輔以奶粉或其他代乳品補(bǔ)充喂養(yǎng)）和人工喂養(yǎng)（僅喂養(yǎng)嬰兒奶粉或其他代乳品）。（2）母乳喂養(yǎng)時間：根據(jù)生后6 個月內(nèi)母乳喂養(yǎng)的累計(jì)時間計(jì)算，具體計(jì)算方法及賦值如下：純母乳喂養(yǎng)賦值為1，人工喂養(yǎng)賦值為0。對于混合喂養(yǎng)者，取各組的組中值賦值，即高比例母乳喂養(yǎng)（母乳≥80%）賦值為0.90，中比例母乳喂養(yǎng)（母乳占20%～79%）賦值為0.50，低比例母乳喂養(yǎng)（母乳＜20%）賦值為0.10。如某嬰兒1～3 月齡為純母乳喂養(yǎng)，4～5 月齡為低比例母乳的混合喂養(yǎng)，6月齡為人工喂養(yǎng)，最后此嬰兒的母乳喂養(yǎng)時間為3×1+2×0.10+1×0=3.2個月。

1.5 質(zhì)量控制

根據(jù)預(yù)調(diào)查的結(jié)果及時調(diào)整問卷，確定最終調(diào)查方案。正式調(diào)查前，對相關(guān)的兒童保健醫(yī)生及護(hù)士進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn)。調(diào)查表采用EpiData 軟件雙人錄入。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 23.0 及R 3.6.1 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及繪圖。定量資料服從正態(tài)分布時采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）描述，多組間比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用SNK-q法；定量資料不服從正態(tài)分布時采用中位數(shù)和四分位數(shù)間距［M（IQR）］描述，多組間比較采用Kruskal-WallisH檢驗(yàn)，組間兩兩比較采用Bonferroni 法。定性資料采用例數(shù)和構(gòu)成比（%）描述，多組比較采用χ2檢驗(yàn)，組間兩兩比較采用Bonferroni 法。K-means 聚類算法用于識別嬰幼兒的睡眠模式。K-means聚類算法具有簡單高效、易于實(shí)現(xiàn)、對大數(shù)據(jù)的聚類效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，是較為常用的聚類分析方法。該算法的基本思想為：（1）把所有對象隨機(jī)分配到k個非空聚類中，計(jì)算每類的初始聚類中心；（2）計(jì)算每個對象到這k個聚類中心的歐式距離，根據(jù)距離最小原則，將對象重新分配到新的聚類中；（3）計(jì)算新分配聚類的聚類中心；（4）循環(huán)步驟（2）和步驟（3），直至算法收斂。多因素分析采用無序多分類logistic 回歸分析模型。Bonferroni 法以P＜0.0167 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，余統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 嬰幼兒睡眠模式聚類結(jié)果

選取BISQ中的全部定量指標(biāo)（白天睡眠時間、夜間睡眠時間、全天睡眠時間、入睡潛伏期、夜醒次數(shù)、夜醒時間和夜間就寢時間），將該7 個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后做肘形圖以確定K-means聚類分析的最佳聚類數(shù)（圖1A），最終確定為3 個聚類。Kmeans 聚類分析發(fā)現(xiàn)夜醒次數(shù)對聚類無效應(yīng)（F=1.733，P=0.177），剔除該變量，最終的聚類中心結(jié)果見表1、圖1B。聚類1 有191 名（16.64%）研究對象，表現(xiàn)為就寢時間早、睡眠時間長、夜醒時間較長；聚類2 有598 名（52.09%），表現(xiàn)為入睡潛伏期短、睡眠時間中等、夜醒時間最短；聚類3 有359 名（31.27%），表現(xiàn)為就寢時間晚、入睡潛伏期長、睡眠時間短、夜醒時間較短。

表1 嬰幼兒睡眠K-means聚類分析的聚類中心

圖1 嬰幼兒睡眠聚類分析

依據(jù)《0 歲～5 歲兒童睡眠衛(wèi)生指南》［10］的標(biāo)準(zhǔn)，判定聚類1和2為正常睡眠模式，占總調(diào)查對象的68.73%（789/1 148）。聚類3 為多種睡眠問題的集合，主要包括入睡潛伏期＞20 min，就寢時間晚于21∶00，總睡眠時間不足11 h，此聚類判定為睡眠障礙模式。

2.2 不同睡眠聚類的嬰幼兒一般特征分析

聚類1 的嬰幼兒年齡最小，其次為聚類2，聚類3的年齡最大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.0167）。聚類1 的嬰幼兒同床睡眠情況比例低于聚類3（P＜0.0167）。聚類1中5.2%的嬰幼兒看電視或手機(jī)時間≥1 h/d，遠(yuǎn)低于聚類2 的15.6%及聚類3 的22.6%（P＜0.0167）。其余變量均未發(fā)現(xiàn)在不同睡眠模式中分布差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表2。

表2 不同睡眠聚類的嬰幼兒一般特征分析

2.3 不同喂養(yǎng)方式及不同母乳喂養(yǎng)時間嬰幼兒的睡眠聚類的差異分析

聚類1 中僅有3.7%的嬰幼兒是人工喂養(yǎng)，低于聚類2 的10.2%和聚類3 的10.3%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.0167）。母乳喂養(yǎng)時間并未發(fā)現(xiàn)與嬰幼兒的睡眠模式有關(guān)（P=0.097）。見表3。

表3 不同喂養(yǎng)方式嬰幼兒的睡眠聚類差異分析 ［n（%）］

2.4 喂養(yǎng)方式及母乳喂養(yǎng)時間與嬰幼兒睡眠模式的相關(guān)分析

多因素logistic 回歸分析中，睡眠模式為因變量（以模式1，即聚類1為參照），喂養(yǎng)方式及母乳喂養(yǎng)時間為自變量，表2中單因素分析有意義的變量（年齡、睡床情況及看電視或手機(jī)時間）作為控制變量。結(jié)果顯示，母乳喂養(yǎng)和混合喂養(yǎng)的嬰幼兒相較于人工喂養(yǎng)的嬰幼兒，更傾向于就寢時間早、睡眠時間長的睡眠模式。與人工喂養(yǎng)相比，純母乳喂養(yǎng)的嬰幼兒可降低69%睡眠障礙模式（聚類3）的發(fā)生風(fēng)險和75%睡眠模式2（聚類2）的發(fā)生風(fēng)險，混合喂養(yǎng)者可降低60%睡眠模式2的發(fā)生風(fēng)險（表4）。進(jìn)一步分析生后6個月內(nèi)母乳喂養(yǎng)時間與嬰幼兒睡眠模式的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，母乳喂養(yǎng)時間與模式1或模式2此類正常睡眠模式的發(fā)生無關(guān)，但母乳喂養(yǎng)時間達(dá)到4～6個月的嬰幼兒，相較于母乳喂養(yǎng)1～3個月者，可降低40%出現(xiàn)睡眠障礙模式的發(fā)生風(fēng)險（表5）。

表4 喂養(yǎng)方式對嬰幼兒睡眠模式影響的logistic回歸分析

表5 母乳喂養(yǎng)時間對嬰幼兒睡眠模式影響的logistic回歸分析

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)7～35 月齡的嬰幼兒睡眠狀況可聚為3個典型的類別，聚類1為就寢時間早、睡眠時間長；聚類2為入睡潛伏期短、睡眠時間中等；聚類3為就寢時間晚、入睡潛伏期延長、睡眠時間不足。聚類3占總調(diào)查對象的31.27%，是多種睡眠問題的集合。

聚類3的嬰幼兒年齡最大，睡眠時間最少，雖然隨著兒童年齡的增長，睡眠需求量呈下降趨勢，但該聚類的嬰幼兒24 h 總睡眠比此年齡段的推薦睡眠少0.11 h，睡眠不足與肥胖、情緒調(diào)節(jié)能力差、生長異常和較高的傷害風(fēng)險等多種結(jié)局相關(guān)［13］。其次，聚類3 的嬰幼兒與父母同床睡眠比例最高，父母的入睡時間晚、睡眠不規(guī)律及入睡后使用電子產(chǎn)品等都可能會影響兒童的睡眠［14］，后期需要針對父母就寢習(xí)慣對兒童睡眠模式的影響做進(jìn)一步研究。另外，嬰幼兒的此睡眠模式可能與視屏行為相關(guān)，研究顯示視屏?xí)r間≥1 h/d兒童的就寢時間更晚，入睡潛伏期更長，夜間睡眠時間更短［15］。本研究也發(fā)現(xiàn)聚類3 的嬰幼兒看電視或手機(jī)的時間≥1 h/d者占比最高。這可能是由于看電視或手機(jī)使兒童的自主興奮性增高，同時屏幕的藍(lán)光抑制褪黑素的分泌，改變晝夜節(jié)律和覺醒，進(jìn)而影響兒童的睡眠時間和睡眠質(zhì)量。簡言之，嬰幼兒的年齡、睡床方式及視屏?xí)r間可能是決定其睡眠模式的重要個體因素。

本研究進(jìn)一步分析喂養(yǎng)方式和母乳喂養(yǎng)時間與兒童睡眠模式的關(guān)系，結(jié)果顯示生后6個月內(nèi)的純母乳喂養(yǎng)率為12.89%，略高于前期馬鞍山市的調(diào)查結(jié)果［12］，但仍低于全國最新調(diào)查的生后6 個月內(nèi)嬰兒純母乳喂養(yǎng)率［16］，這種差異可能與調(diào)查方法有關(guān)。喂養(yǎng)方式獨(dú)立于其他社會和人口學(xué)特征，與嬰幼兒的睡眠模式相關(guān)。純母乳喂養(yǎng)的嬰幼兒相較于人工喂養(yǎng)的嬰幼兒，更傾向表現(xiàn)為就寢時間早、長睡眠的模式（模式1），這與新加坡最新的研究結(jié)果相一致［17］，且純母乳喂養(yǎng)明顯降低睡眠障礙模式的發(fā)生風(fēng)險，并且母乳喂養(yǎng)時間越長其保護(hù)效應(yīng)越明顯。目前，研究提示母乳喂養(yǎng)可促進(jìn)嬰幼兒睡眠，甚至有研究發(fā)現(xiàn)在生后6個月內(nèi)的純母乳喂養(yǎng)時間與兒童期的睡眠狀況仍有關(guān)聯(lián)。這可能與純母乳喂養(yǎng)促進(jìn)嬰兒睡眠節(jié)律的建立相關(guān)，純母乳喂養(yǎng)的嬰兒在生后第2～3周開始獲得晝夜節(jié)律，而混合喂養(yǎng)的嬰兒直至生后第6周晝夜節(jié)律還未顯現(xiàn)［18］。這可能由于母乳的營養(yǎng)成分存在晝夜變化，通過這種改變將一天中的時間信息傳遞給嬰兒，對嬰幼兒的發(fā)育起到了生物鐘的作用［19］。已有研究證明母乳中皮質(zhì)醇和褪黑素具有晝夜變化，白天母乳中皮質(zhì)醇水平較高，有助于提高嬰兒的警覺性、喂養(yǎng)行為和分解代謝；夜間母乳中褪黑素水平較高，能夠促進(jìn)嬰兒的睡眠［20］。母乳中營養(yǎng)成分的這種變化是配方奶粉無法實(shí)現(xiàn)的。其次母乳喂養(yǎng)可通過增加母親與嬰兒之間的皮膚與皮膚接觸，有利于嬰兒形成更有序的睡眠-覺醒周期及更長時間的夜間睡眠［21-22］。

綜上，本研究通過K-means聚類對嬰幼兒睡眠的多個維度進(jìn)行綜合分析，豐富了研究嬰幼兒睡眠的方法。本研究發(fā)現(xiàn)嬰幼兒表現(xiàn)出3類典型的睡眠模式，其中以就寢時間晚、入睡潛伏期延長、睡眠時間不足為主要睡眠模式特征的嬰幼兒應(yīng)作為未來干預(yù)的重點(diǎn)人群，此類嬰幼兒可能同時存在多種睡眠問題，需進(jìn)行多方位綜合干預(yù)，如：與父母分床睡眠；固定就寢時間，且不晚于21∶00；睡前活動基本保持一致，時間不宜超過20 min；入睡前盡量不看手機(jī)或電視等電子產(chǎn)品。其次，本研究還發(fā)現(xiàn)母乳喂養(yǎng)可降低嬰幼兒睡眠障礙模式的發(fā)生，但目前母乳喂養(yǎng)率較低，未來還有待通過建立多方面支持體系，進(jìn)一步提升母乳喂養(yǎng)水平，促進(jìn)兒童身心健康發(fā)展。由于本研究為橫斷面調(diào)查，僅采集了嬰幼兒睡眠的時點(diǎn)數(shù)據(jù)，后期還需開展前瞻性研究以發(fā)現(xiàn)這種睡眠模式的動態(tài)變化，進(jìn)一步闡明母乳喂養(yǎng)促進(jìn)嬰幼兒睡眠的內(nèi)在機(jī)制。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。