消費(fèi)級設(shè)備體力活動步數(shù)計(jì)算的信效度研究方法綜述

（北京體育大學(xué) 北京 100084）

近年來，體力活動促進(jìn)作為全球關(guān)注熱點(diǎn)在學(xué)術(shù)界被廣泛討論。步數(shù)作為體力活動的一項(xiàng)重要特征，由易被加速度計(jì)等測量工具測量，被作為代表體力活動運(yùn)動量的指標(biāo)被廣泛應(yīng)用。智能手機(jī)以及可穿戴設(shè)備對體力活動的監(jiān)測的設(shè)計(jì)參照了計(jì)步器與研究用加速度計(jì)，同樣提供了步數(shù)的信息。作為消費(fèi)級產(chǎn)品，不同設(shè)備為了滿足不同層次消費(fèi)者需求，在有限成本下，其測量固件水平存在著非常明顯的差距。對于大批次人群，不同的設(shè)備不能保證干預(yù)人群都能夠通過個人購買的消費(fèi)級產(chǎn)品被反饋到準(zhǔn)確信息，對體力活動過程產(chǎn)生一定程度的干擾。在通過消費(fèi)級設(shè)備進(jìn)行體力活動的干預(yù)嘗試或體力活動情況調(diào)查時，被反饋的信息可信程度，是需要進(jìn)行設(shè)備信效度調(diào)查的主要原因之一。在原產(chǎn)商無法提供具體計(jì)步算法的情況下，特定受控環(huán)境下的測試是一種常用的信效度測試方法。通過對設(shè)備一般原理的剖析，闡述一般的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，有助于細(xì)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，多方面的評價設(shè)備的測量信效度。

關(guān)于步數(shù)測量信效度應(yīng)該被分為測量元件的測量精度和數(shù)據(jù)分析軟件得出的結(jié)果準(zhǔn)確性，即硬件測量信效度和軟件計(jì)算信效度兩個部分進(jìn)行討論，后者是直接示于公眾的結(jié)果，而前者直接影響了計(jì)算后者的過程。由于各款手機(jī)的硬件設(shè)施詳情及具體步數(shù)算法屬于商業(yè)機(jī)密，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)被放在了現(xiàn)實(shí)情境的模擬及參考標(biāo)準(zhǔn)的選擇上。

1、實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備程序提取加速度相關(guān)特征值的分布，目前能夠成功將在正常體力活動過程中常見的與步數(shù)相關(guān)的運(yùn)動模式分為多類，例如：人體位置相對地面靜止的情況（站立、坐下）、走路、跑步、騎車、上/下樓梯。根據(jù)對具體的程序設(shè)計(jì)的了解會便于研究者找到具體實(shí)驗(yàn)情境，這是目前大部分該方面研究者所遵循的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則之一。

1.1、實(shí)驗(yàn)環(huán)境

測試環(huán)境被分為了實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境及場地環(huán)境兩種，實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境多包含跑臺或配備有監(jiān)測運(yùn)動狀態(tài)設(shè)備的短距跑道及各種生活模擬場景。對于跑臺或擁有運(yùn)動狀態(tài)測算測量設(shè)備的環(huán)境主要用于精密測量在明確人體參數(shù)設(shè)定下設(shè)備的信效度。此類環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是便于跑步器械本身的反饋使受試者調(diào)整到需要的運(yùn)動狀態(tài)，以期在受試者更易完成各類精確的活動要求。部分學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中加入了室內(nèi)生活的道具，要求受試者在攝像機(jī)監(jiān)視下模擬不同的體力活動任務(wù)，例如Nicholas Wendel等人在對兩款穿戴設(shè)備進(jìn)行測設(shè)時，要求受試者圍繞在周長92米的長方形房間貼墻行走2分鐘，然后通過房間中央的行走障礙，并完成房間中央的家務(wù)模擬活動。

與跑臺和跑道測試相對的是場地測試，指將受試者置于自由環(huán)境進(jìn)行指定運(yùn)動。場地測試將受試者置于真實(shí)的運(yùn)動環(huán)境中，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)會使測試結(jié)果出現(xiàn)更多的誤差，其來源于測試設(shè)計(jì)的缺陷造成的誤差與測試過程中受試者的操作誤差。但相對于在現(xiàn)實(shí)情境中的步行與跑步活動，受試者在處于跑步機(jī)情境中時被動運(yùn)動會引起不同于常態(tài)的步態(tài)。個體被動與主動進(jìn)行運(yùn)動時運(yùn)動模式的部分差異可能會對計(jì)步的信度產(chǎn)生一定的影響。Goto在關(guān)于Fitbit及Jawbow的測量信效度的系統(tǒng)綜述中提出跑步機(jī)運(yùn)動中設(shè)備會對實(shí)際步數(shù)產(chǎn)生低估。所以場地測試同樣具有其測量意義。

目前研究者逐漸開始采用兩者并行的研究設(shè)計(jì)，即兼顧實(shí)驗(yàn)室的跑臺測試及場地測試。何曉龍?jiān)跍y試載有ios9系統(tǒng)的iphone 5s手機(jī)在不同環(huán)境下的步數(shù)監(jiān)測精確性時，除開實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下5分鐘的跑臺測試，還另外對受試者進(jìn)行了在塑膠地、泥土路、水泥硬化路面與山路4種不同的步行路面地況下要求受試者進(jìn)行以主觀認(rèn)定的三種步行速度（正常，快速，慢速）前進(jìn)300步，評價不同路面和受試者行進(jìn)狀態(tài)對iphone 5s的自帶記步程序的效度影響。Lynne M等人在對Fitbit設(shè)備測量信效度的系統(tǒng)綜述中提出，自由生活環(huán)境下定義Fitbit設(shè)備的相對精度并不能定義真正的測量精度，因?yàn)镕itbit設(shè)備和參考設(shè)備都沒有與參考標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

除了受控情況下的實(shí)驗(yàn)測試以外，為了更好達(dá)到模擬日常行為的目的，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可以納入無干預(yù)的日常生活監(jiān)測。Aiden D等人提出，關(guān)于智能手機(jī)以及可穿戴設(shè)備測量體力活動的信效度研究將其需要放到日常生活進(jìn)行至少進(jìn)行72小時的測試觀察。隨著樣本量的增加，納入更多的日常行為，日常測試的結(jié)果會逐漸接近于準(zhǔn)確。如陳慶國等人在測試載有ios7系統(tǒng)的iphone 4S的計(jì)步準(zhǔn)確性時，在對50人跑道測試、跑步機(jī)測試及指定活動測試的基礎(chǔ)上增加了樣本量為26人的4日 （2個工作日+2個休息日）日常生活監(jiān)測的內(nèi)容。

1.2、運(yùn)動情境設(shè)計(jì)

在設(shè)定測試環(huán)境的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員需要對測試的活動情境進(jìn)行設(shè)計(jì)。日?；顒蛹叭粘Ｉ顪y試本身為開放式的測試設(shè)計(jì)，對運(yùn)動情境的設(shè)計(jì)要求較低，實(shí)驗(yàn)人員要根據(jù)研究需求為受試者制定定義較為寬泛的獨(dú)立或自由活動要求，使其在監(jiān)督或半監(jiān)督狀態(tài)下完成要求即可。A.Alsubheen等人在研究vivofit運(yùn)動手環(huán)計(jì)步功能日常生活信效度時對13名受試者進(jìn)行了為期5日的測試，其中前3日的活動內(nèi)容為1小時監(jiān)督下的室外自由活動，第4日為跑步機(jī)測試，而第5日為辦公室環(huán)境內(nèi)活動。

關(guān)于跑臺等實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測試，其研究目的一般是探究智能手機(jī)在不同運(yùn)動狀態(tài)下的步數(shù)測量信效度，需要設(shè)定受試者具體的運(yùn)動方式及運(yùn)動水平。比較常見的是對于走跑活動進(jìn)行定義。對于跑臺測試，已有研究得出了各個不同運(yùn)動水平的跑步及步行速率。將受試者置入跑臺環(huán)境，可以很簡單地做到利用不同的速度來規(guī)定不同水平的步行與跑步狀態(tài)。Christoph H·chsmann等人在使用跑臺研究iphone SE等三種設(shè)備的步數(shù)監(jiān)測信效度時用速度將步行分為1.6km/h、3.2km/h、4.8km/h、6.0km/h四種狀態(tài)。 何曉龍等人在進(jìn)行跑臺測試時使用了 3.2km/h、4.8km/h、6.4km/h、8.0km/h、9.6km/h五種配速分別對應(yīng)了慢走、舒適走、快走、慢跑及中速跑五種運(yùn)動狀態(tài)。

對于場地測試，由于“配速”的概念相對抽象，無法做到規(guī)定受試者“保持某一配速”行進(jìn)，研究者需要使用其他概念規(guī)定運(yùn)動狀態(tài)。如何規(guī)定場地測試中行進(jìn)的運(yùn)動狀態(tài)是場地測試設(shè)計(jì)需要考究的要點(diǎn)之一。大部分研究者從步態(tài)方面對運(yùn)動進(jìn)行了規(guī)定，Patima Silsupadol等人在10m跑道測試時對受試者做出了最低限度的要求，即以慢速、舒適、快速的步行狀態(tài)通過跑道。Christoph H?chsmann在進(jìn)行室外測試時要求受試者以舒適的步速步行，但是針對不同受試者個體，其步態(tài)各維度的差異性大，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及討論時很難將某一舒適的行進(jìn)狀態(tài)準(zhǔn)確歸結(jié)為設(shè)備進(jìn)行計(jì)步的初始情境設(shè)定。相對于“配速”，步頻是易于對受試者進(jìn)行干預(yù)的。且已有研究使用“步頻”這一概念對受試者進(jìn)行要求。陳曉榮等人要求39名受試者在100m跑道上分別進(jìn)行步頻為90步/分、120步/分、150步/分的慢/中/快速走以及180步/分的中速跑。節(jié)拍器在糾正帕金森、偏癱等疾病患者步態(tài)時具有顯著效果，且有國內(nèi)體育工作者利用節(jié)拍器進(jìn)行跨欄項(xiàng)目訓(xùn)練并取得訓(xùn)練成效，提示了節(jié)拍器在今后可能可以作為受試者行進(jìn)步頻的控制工具。

1.3、設(shè)備佩戴位置

在智能手機(jī)的行動識別過程中，程序需要判斷手機(jī)相對于人體的狀態(tài)。指標(biāo)的運(yùn)算算法取決于程序?qū)υO(shè)備運(yùn)動狀態(tài)的判斷，在進(jìn)行測試時，也需要考慮這一因素，并納入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。Patima Silsupadol在測試中設(shè)計(jì)了背袋、小單挎包、皮帶、手持于耳邊、右后褲袋五個穿戴設(shè)備的位置進(jìn)行不同位置的區(qū)分。Christoph H?chsmann也設(shè)計(jì)了背包、挎包、左/右前褲袋、右手腕、腰部六個位置來置放不同的設(shè)備，并在每一次測試時更換每個設(shè)備的位置。Lynne M等人撰寫的有關(guān)于fitbit設(shè)備的各方面測量信效度實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)綜述將40篇有關(guān)計(jì)步測量的文獻(xiàn)內(nèi)容拆解，列舉出了191項(xiàng)不同佩戴位置的比較，其中軀干部位114項(xiàng)，腳踝16項(xiàng)，腕部61項(xiàng)，大部分比較結(jié)果顯示軀干部位的計(jì)步測量信效度高于其他部位。

2、參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

對于智能手機(jī)計(jì)步功能準(zhǔn)確性的研究屬于信效度研究的一種，除了進(jìn)行自身比對以外，需要一個具有高效度的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校標(biāo)效度的檢驗(yàn)。因?yàn)閭€體的行進(jìn)時易于觀察的運(yùn)動過程，個體的行進(jìn)步數(shù)可以被人為的觀察并計(jì)數(shù)，為了消除人為的誤差，也可利用視頻記錄測試過程，再測試后由研究人員重復(fù)計(jì)數(shù)，保證其準(zhǔn)確性，人為計(jì)數(shù)的效度接近于最高，也有大量研究者采用人為計(jì)數(shù)作為校標(biāo)與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的研究細(xì)節(jié)的不同，例如研究指標(biāo)的增加，部分研究者會采用不同的參考標(biāo)準(zhǔn)。如，Patima Silsupadol等人通過將受試者穿戴的GAITrite便攜式步態(tài)分析儀，從不同的步頻、步長、步時、步速4個方面對計(jì)步信效度進(jìn)行了分析。

而通過與效標(biāo)比對的數(shù)據(jù)類型的不同，可以從其他方面探究信效度問題。如陳慶果等人在研究2部紅米Note 2以及1部三星Note 3兩款智能手機(jī)體力活動強(qiáng)度監(jiān)測的信效度時，將其分別通過50Hz、75Hz采樣頻率采樣的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出至MATLAB，使用ActiGraph的加速度計(jì)的計(jì)算模式導(dǎo)出活動強(qiáng)度相關(guān)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，將在測試中同樣被穿戴的ActiGraph加速度計(jì)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)作為校標(biāo)與MATLAB計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，ActiGraph和手機(jī)的相關(guān)系數(shù)分別為0.819，0.762和0.669，結(jié)果顯示可以兩款手機(jī)可以作為ActiGraph的補(bǔ)充應(yīng)用用于運(yùn)動實(shí)踐。原始數(shù)據(jù)的測量精確度代表傳感器本身的測試精度。而在該研究中，未經(jīng)降噪的原始數(shù)據(jù)結(jié)果直接被用于校標(biāo)的計(jì)算算法中，通過邏輯倒推，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容看做ActiGraph的加速度計(jì)與三部手機(jī)傳感器精度的比較，此項(xiàng)研究為硬件測量精確度的檢測設(shè)計(jì)作出了提示。

3、結(jié)語

體力活動行為改善是目前國家健康計(jì)劃的要點(diǎn)內(nèi)容之一。而步數(shù)是進(jìn)行體力活動監(jiān)測或體力活動干預(yù)時易被測量且具有代表意義的重要指標(biāo)。而利用智能手機(jī)進(jìn)行體力活動監(jiān)測和干預(yù)工作時，由于不同款式智能手機(jī)硬件及算法的差距，需要明確其設(shè)備本身的步數(shù)計(jì)算信效度。

在進(jìn)行步數(shù)計(jì)算信效度測試時，需要考慮場地，運(yùn)動情境，佩戴部位等情境設(shè)計(jì)因素，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的參考標(biāo)準(zhǔn)作為效標(biāo)，綜合的對設(shè)備進(jìn)行檢測。