Association of light-intensity physical activity, sedentary time and body composition in adolescents
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摘要:
目的 探讨低强度身体活动(LPA)和久坐行为(SB)与体成分间的关联, 为改善青少年体质健康提供参考。 方法 于2020年8月至2021年1月, 收集佛山市某中学高一年级694名学生基本信息, 采用三轴加速度计和生物电阻抗测试仪测量学生24 h活动行为和体成分。采用双成分回归和等时替代模型, 探讨LPA和SB与体成分间的关系。 结果 LPA与较低的脂肪相对优势(FRD)有关(男生周末: FRD=-21.44%;女生一周: FRD=-17.83%, 学习日FRD=-18.27%, P值均 < 0.05), LPA与较高的肌肉相对优势(MRD)和骨骼相对优势(BRD)有关(男生周末: MRD=12.78%, BRD=12.87%;女生一周MRD=11.64%, BRD=9.01%;女生学习日MRD=12.02%, BRD=9.23%)(P值均 < 0.05)。用10 min LPA替代SB可减少脂肪比例[男生: 一周-0.15(-0.26~-0.04), 学习日-0.12(-0.22~-0.02);女生: 一周-0.18(-0.27~-0.08), 学习日-0.16(-0.25~-0.07)]和增加肌肉比例[男生: 一周0.14(0.03~0.24), 学习日0.11(0.02~0.21);女生: 一周0.17(0.07~0.26), 学习日0.15(0.07~0.24)]。 结论 用LPA中断连续SB可作为青少年身体活动促进体质健康的干预措施。学校应鼓励学生在课间与课外经常进行LPA, 同时避免长时间SB。 Abstract:Objective To explore the association between light-intensity physical activity (LPA) and sedentary behavior (SB) with body composition, so as to provide data references for improving adolescent physical health. Methods From August 2020 to January 2021, general information of 694 students in grade one of a high school in Foshan City was collected, and the 24-hour activity behavior and body composition of the students were measured objectively by triaxial accelerometer and bioelectrical impedance tester.Dual-component multivariate regression and dual-compositional isotemporal substitution model were used to explore the relationship between LPA and SB and body composition. Results LPA was associated with lower fat relative dominance (FRD)(male weekends FRD=-21.44%, female weekly FRD=-17.83%, weekdays FRD=-18.27%, P < 0.05), and LPA was also associated with higher muscle relative dominance (MRD) and bone relative dominance (BRD)(male weekends MRD=12.78%, BRD=12.87%;female weekly MRD=11.64%, BRD=9.01%;female weekdays MRD=12.02%, BRD=9.23%, P < 0.05).Replacing sedentary behavior (SB) with 10 minutes of LPA could reduce fat proportion[male: weekly-0.15(-0.26-0.04), weekdays-0.12(-0.22-0.02);female: weekly-0.18(-0.27-0.08), weekdays-0.16(-0.25-0.07)) and increase muscle proportion (male: weekly 0.14(0.03-0.24), weekdays 0.11(0.02-0.21);female: weekly 0.17(0.07-0.26), weekdays 0.15(0.07-0.24)]. Conclusion Interrupting continuous SB with LPA can serve as an intervention measure to promote physical health and fitness in adolescents.School should encourage students to engage in frequent LPA during breaks and after-school activities, while avoiding prolonged SB. -
Key words:
- Motor activity /
- Sedentary lifestyle /
- Body composition /
- Regression analysis /
- Adolescent
1) 利益冲突声明 所有作者声明无利益冲突。2) 叶荣荣与黄宝莹为共同第一作者。 -
体成分可用于评估青少年体内脂肪含量(fat mass, FM)、判断肌肉量(即瘦体重，lean mass, LM)和骨矿物质含量(bone mineral content, BMC)的发育情况，并根据FM、LM和BMC比例结构反映身体健康状况[1-2]，预测青少年及成年后体质健康水平[3]。
身体活动是影响体成分的重要因素[4]，如中高强度身体活动(moderate-to-vigorous-intensity physical activity, MVPA)和久坐行为(sedentary behavior, SB)均显示与体脂率、肌肉量和骨密度有关[5-8]。除MVPA和SB外，青少年大部分活动行为都属于低强度身体活动(light-intensity physical activity, LPA)[9]。和MVPA相比，LPA占据一天中更多时间，且更容易被干预。研究显示，将每天30 min的非活动时间替换为LPA，该行为与较低的总脂肪、内脏脂肪组织以及较高的身体肌肉质量有关[10-11]，且LPA的积极效益在超重肥胖的儿童青少年中更为显著[12]；但也有报道称LPA与青少年超重肥胖无关[13]。
目前问卷仍是测量身体活动的重要工具，但不可避免地存在回忆偏倚，特别是LPA和SB的时间估算。与问卷相比，加速度计可获得客观精准的各强度身体活动时长。此外，考虑到一天24 h内的“定和限制”，有必要采用成分数据分析(compositional data analysis, CoDA)方法进行研究[14]。本文采用加速度计客观测量青少年LPA和SB，并采用双成分回归和等时替代模型(isotemporal substitution mode, ISM)研究LPA和SB对青少年体成分的影响，为优化青少年身体活动相关的健康促进指南、促进青少年体质健康水平提高提供参考依据。
1. 对象与方法
1.1 对象
采用横断面研究设计，按照方便抽样方法，以班级为单位，于2020年8月至2021年1月对广东佛山市某中学749名高一年级所有学生进行问卷调查、体格检查，并采用加速度计客观测量学生身体活动情况。最终有694名学生纳入分析，其中男生309名，女生385名，且已通过北京体育大学伦理委员会的伦理审查(批号：2019101H)。
1.2 方法
1.2.1 问卷调查
发放纸质问卷，由经过统一培训的调查员在教室介绍调查目的和注意事项后再指导学生填写。问卷内容包括学生基本信息(性别、年龄、是否独生子女、住宿情况、每月零花钱和父母文化程度)、近1周生活作息情况(学习日和周末起床时间，晚上睡觉时间和午睡时长)及近1个月饮食情况(每周摄入肉类食物、水产品、蛋类、豆类及其制品等共14项膳食种类的频次)等。饮食量表在本研究中Cronbach α系数为0.80。
1.2.2 体格检查
对学生进行常规体格检查获得身高、体重、腰围和臀围等信息。采用生物电阻抗测试仪(产品型号：InBody 570)测试学生体成分，通过生物电阻抗分析获得学生全身脂肪含量、肌肉含量和骨矿物质含量等指标。学生在研究人员协助下进行体成分测试，过程中严格按照生产制造商使用说明进行。
1.2.3 加速度计测量
采用三轴加速度计(ActiGraph，产品型号：wGT3X+)测量学生身体活动情况。学生在研究人员指导下佩戴加速度计并了解注意事项，要求除涉水运动外佩戴整日，且连续佩戴1周。结合问卷自报的睡眠(sleep, SLP)时间和加速度计记录的每分钟活动计数(count of per minute, CPM)评估SLP时间，24 h减去非佩戴时间和SLP时间后得到佩戴时间[15-16]。每日佩戴时间≥10 h为有效日，1周至少包括3个学习日和1个周末的有效日。用ActiLife 13.4软件对数据进行下载和分析。身体活动强度定义为： < 400 CPM为SB，401~2 799 CPM为LPA，≥2 800 CPM为MVPA[15, 17]。
1.3 质量控制
问卷：制定统一调查问卷及其填写说明、问卷质控手册。体格检查：由专人负责对测量仪器进行校正，按照标准测量方法进行测量。身体活动、久坐测量: 由专人负责检查加速度计是否损坏，确保仪器电量充足并能正常运作后再启动仪器。
正式调查开始前，对所有的调查员进行现场培训。回收问卷时，调查员按照质控手册对回收问卷进行详细质控。指导学生佩戴加速度计时，对每个学生的佩戴情况进行检查并及时纠正错误佩戴方式，同时在每个班安排2位监督员每日检查学生是否佩戴、佩戴方式是否正确等情况，避免学生漏戴和错误佩戴。
问卷复核无误后，以双录入方式录入事先建立好的数据库，并编写核对程序进行逻辑校对和纠错。
1.4 统计学方法
定性变量采用频数(百分比)描述，定量资料用(x±s)描述。采用因子分析评估膳食模式，根据特征根λ>1选取前3个公因子，定义为不健康饮食因子、蛋白质/叶类蔬菜因子和矿物质/维生素因子，将因子得分按三分位数分为3个水平，纳入成分回归模型调整。
本文中因变量为体成分(FM、LM和BMC)，自变量为24 h活动行为时间(MVPA、LPA、SB和SLP)中提取的LPA和SB，自变量与因变量均为成分数据。基于等距对数比转换(isometric log ratio，ILR)，用几何均数和百分比描述青少年体成分和LPA、SB时间使用的平均水平和成分比例分布[18-19]。构建体成分为因变量的单因素CoDA回归模型，选择对体成分影响有统计学意义的协变量。再采用双成分CoDA回归模型，探索青少年LPA和SB时间对体成分中脂肪相对优势(fat relative dominance，FRD)、肌肉相对优势(muscle relative dominance，MRD)和骨骼相对优势(bone relative dominance，BRD)的影响[20-21]。进一步，构建双成分ISM，探索MVPA与SLP不变时，LPA和SB相互替代所引起的体成分变化[20]。统计分析采用SAS 9.4和R 4.1.0软件完成。所有检验均为双侧检验，P＜0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 不同性别学生LPA、SB时间使用和体成分分布
一周中，学生SB的时间使用几何均数为689.40 min/d，占24 h中的47.88%；而LPA的时间使用几何均数为232.80 min/d，仅占24 h中的16.17%。其中女生SB时间使用的几何均数占24 h的比例均高于男生(一周: 49.21%，46.00%；学习日: 49.04%，44.96%；周末: 50.00%，49.46%)。男生LM和BMC的几何均数均比女生高，而女生FM几何均数高于男生。见表 1。
表 1 不同性别学生的LPA、SB时间和体成分几何均数Table 1. Geometric mean of LPA, SB time and body composition among students of different genders性别 人数 LPA/(min·d-1) SB/(min·d-1) 体成分/kg 一周 学习日 周末 一周 学习日 周末 FM LM BMC 男 309 232.80 241.20 206.40 662.40 647.40 712.20 10.13 47.17 2.94 女 385 231.60 236.40 215.40 708.60 706.20 720.00 14.27 34.43 2.32 总计 694 232.80 239.40 211.80 689.40 681.00 717.00 12.43 40.10 2.60 2.2 青少年LPA、SB对体成分的影响
体成分的单因素CoDA回归模型显示年龄、住宿情况、每月零花钱和蛋白质/叶类蔬菜因子对体成分的影响均有统计学意义(P值均 < 0.05)，将这些因素纳入双成分CoDA回归模型进行调整。调整后的男女生双成分CoDA回归模型结果见表 2。
表 2 不同性别学生LPA、SB和体成分双成分CoDA回归模型结果Table 2. Results of dual-component CoDA regression model of LPA, SB and body composition among students of different genders性别 指标 时间 FM LM BMC β值 标准误 P值 FRD/% β值 标准误 P值 MRD/% β值 标准误 P值 BRD/% 男 LPA 一周 -0.26 0.17 0.13 -16.63 0.12 0.09 0.20 8.58 0.14 0.08 0.08 10.46 (n=309) 学习日 -0.22 0.16 0.17 -14.30 0.10 0.09 0.24 7.31 0.12 0.08 0.12 8.73 周末 -0.35 0.16 0.03 -21.44 0.17 0.08 0.04 12.78 0.17 0.07 0.02 12.87 SB 一周 0.53 0.30 0.07 44.36 -0.31 0.16 0.05 -19.57 -0.22 0.14 0.12 -13.88 学习日 0.42 0.27 0.13 33.76 -0.24 0.15 0.01 -15.53 -0.18 0.13 0.17 -11.50 周末 0.30 0.19 0.11 22.79 -0.17 0.10 0.09 -11.27 -0.12 0.09 0.16 -8.21 女 LPA 一周 -0.28 0.09 < 0.01 -17.83 0.16 0.05 < 0.01 11.64 0.12 0.05 0.01 9.01 (n=385) 学习日 -0.29 0.09 < 0.01 -18.27 0.16 0.05 < 0.01 12.02 0.13 0.04 0.01 9.23 周末 -0.15 0.08 0.06 -9.97 0.08 0.04 0.06 5.72 0.07 0.04 0.08 5.06 SB 一周 0.16 0.18 0.38 11.47 -0.08 0.09 0.37 -5.55 -0.07 0.09 0.41 -5.01 学习日 0.03 0.17 0.85 2.31 -0.02 0.09 0.83 -1.32 -0.01 0.09 0.88 -0.94 周末 0.19 0.11 0.08 13.77 -0.09 0.06 0.11 -5.96 -0.10 0.05 0.07 -6.53 男生FRD减少、MRD和BRD增加与周末LPA增加有关(P值均 < 0.05)，周末LPA每增加1%，FRD减少21.44%，MRD和BRD分别增加12.78%和12.87%。女生一周和学习日LPA增加，可引起FRD减少、MRD和BRD增加(P值均 < 0.05)；其中一周LPA每增加1%，FRD减少17.83%，MRD和BRD分别增加11.64%和9.01%；学习日LPA每增加1%，FRD减少18.27%，MRD和BRD分别增加12.02%和9.23%。
2.3 青少年LPA、SB等时替代和体成分的关系
表 3~4表明调整潜在混杂因素后，无论一周还是学习日，LPA和SB间互相替代10 min对男女生FM和LM百分比影响均有统计学意义(P值均 < 0.05)。其中用10 min LPA替代SB可引起FM百分比降低和LM百分比增加，FM百分比的平均变化量分别为：男生一周-0.15(95%CI=-0.26~-0.04)、学习日-0.12(95%CI=-0.22~-0.02)，女生一周-0.18(95%CI=-0.27~-0.08)、学习日-0.16(95%CI=-0.25~-0.07)；LM百分比的平均变化量分别为：男生一周0.14(95%CI=0.03~0.24)、学习日0.11(95%CI=0.02~0.21)，女生一周0.17(95%CI=0.07~0.26)、学习日0.15(95%CI=0.07~0.24)；用10 min SB替代LPA可引起FM百分比增加和LM百分比降低(P值均 < 0.05)。周末LPA和SB间互相替代对体成分的影响仅在男生中有统计学意义(P值均 < 0.05)。
表 3 不同性别学生一周LPA和SB等时替代10 min引起体成分百分比的变化Table 3. Changes in percentages of body composition caused by a 10-minute redistribution of LPA and SB during one week among students of different genders性别 等时替代 FM/% LM/% BMC/% 男生 +LPA-SB -0.15(-0.26~-0.04)* 0.14(0.03~0.24)* 0.01(0.00~0.01) (n=309) +SB-LPA 0.15(0.03~0.27)* -0.14(-0.25~-0.03)* -0.01(-0.01~0.00) 女生 +LPA-SB -0.18(-0.27~-0.08)* 0.17(0.07~0.26)* 0.01(0.00~0.02) (n=385) +SB-LP 0.18(0.08~0.29)* -0.17(-0.27~-0.08)* -0.01(-0.02~0.00) 注： *P < 0.05；+为增加10 min，-为减少10 min；()内数字为95%CI。 表 4 不同性别学生周末与学习日LPA和SB等时替代10 min引起体成分百分比的变化Table 4. Changes in percentages of body composition caused by a 10-minute redistribution of LPA and SB between weekends and weekdays among students of different genders性别 等时替代 学习日 周末 FM LM BMC FM LM BMC 男生 +LPA-SB -0.12(-0.22~-0.02)* 0.11(0.02~0.21)* 0.01(0.00~0.01) -0.16(-0.27~-0.04)* 0.15(0.03~0.26)* 0.01(0.00~0.01) (n=309) +SB-LPA 0.12(0.02~0.23)* -0.11(-0.21~-0.02)* -0.01(-0.01~0.00) 0.16(0.04~0.29)* -0.15(-0.28~-0.03)* 0.01(-0.01~0.00) 女生 +LPA-SB -0.16(-0.25~-0.07)* 0.15(0.07~0.24)* 0.01(0.00~0.01) -0.10(-020~0.00) 0.10(0.00~0.19) 0.01(0.00~0.01) (n=385) +SB-LPA 0.16(0.07~0.26)* -0.16(-0.24~-0.07)* -0.01(-0.01~0.00) 0.11(0.00~0.21) -0.10(-0.20~0.00) -0.01(-0.01~0.00) 注： *P < 0.05；+为增加10 min，-为减少10 min；()内数字为95%CI。 3. 讨论
本研究在时间流行病学框架下，采用加速度计对青少年LPA和SB进行客观测量，基于ILR变换构建CoDA双成分回归和ISM模型，研究LPA和SB与青少年体成分的关系。结果显示青少年LPA时间增加可预测低水平的FRD与高水平的MRD和BRD，用LPA时间替代SB与脂肪百分比减少和肌肉百分比增加相关。
既往研究表明LPA与脂肪减少和肌肉增加相关[10, 22-23]，或与膳食营养共同参与构成骨骼肌健康的重要决定因素[24]。由于活动强度较低，LPA可持续更长的时间，从而累积更多的运动量，而运动量也是促进代谢反应、改善脂肪堆积的主要因素之一。此外，既往研究结果显示，LPA与体质健康之间的关联较微弱或无统计学意义[25-27]，可能与LPA的测量方式或统计分析方法有关。本研究采用加速度计客观精确地评价LPA时间，有效避免了回忆偏倚，并基于成分数据分析方法，综合探讨24 h活动行为与体成分之间的关联。
本研究基于CoDA双成分ISM模型，进一步探索LPA和SB相互替代所引起体成分组合的百分比变化。结果显示，在维持MVPA与SLP不变的情况下，减少SB的同时增加LPA时间，与脂肪百分比减少和肌肉百分比增加相关。青少年SB及对健康的影响已受到越来越多的关注[28]。研究表明，儿童青少年在学校积累的SB时间更长[29]。根据青少年生活学习特点，除鼓励充足的MVPA外，设计合适的LPA活动内容用以减少SB可能是一个易行有效的干预措施。如用短时间的LPA(如深蹲或短时间步行)频繁地中断连续久坐，可为青少年获得重要的肌肉骨骼和代谢健康奖励[8, 29]。从运动生理学角度看，负荷量轻、持续时间长的运动可以通过增加身体的能量消耗，促进脂肪的氧化分解，有效降低体脂水平，还有助于增强心血管系统及呼吸系统的功能，提高肌肉的代谢能力[30-31]。但有研究未发现LPA替代SB与脂肪减少有关[27, 32]。相比之下，本文使用双成分等时替代方法，更符合数据特征，理论上结果更可靠。
本研究也存在一定的局限性：研究对象仅限于1所中学的高一年级，样本量有限，这也可能导致某些时段(如周末)检验效能较低；另外，本研究是横断面研究，无法进行因果推断；同时，虽生物电阻抗分析估测的体成分估计值与金标准双能X线吸收法的测量结果有很高的相关性[33-34]，但一些分歧仍然存在[35]。下一步需要在纵向研究中验证本研究发现的结果，为制定青少年身体活动指南、提高青少年体质健康水平和开展学校体育卫生工作提供科学依据。
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表 1 不同性别学生的LPA、SB时间和体成分几何均数
Table 1. Geometric mean of LPA, SB time and body composition among students of different genders
性别 人数 LPA/(min·d-1) SB/(min·d-1) 体成分/kg 一周 学习日 周末 一周 学习日 周末 FM LM BMC 男 309 232.80 241.20 206.40 662.40 647.40 712.20 10.13 47.17 2.94 女 385 231.60 236.40 215.40 708.60 706.20 720.00 14.27 34.43 2.32 总计 694 232.80 239.40 211.80 689.40 681.00 717.00 12.43 40.10 2.60 
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表 2 不同性别学生LPA、SB和体成分双成分CoDA回归模型结果
Table 2. Results of dual-component CoDA regression model of LPA, SB and body composition among students of different genders
性别 指标 时间 FM LM BMC β值 标准误 P值 FRD/% β值 标准误 P值 MRD/% β值 标准误 P值 BRD/% 男 LPA 一周 -0.26 0.17 0.13 -16.63 0.12 0.09 0.20 8.58 0.14 0.08 0.08 10.46 (n=309) 学习日 -0.22 0.16 0.17 -14.30 0.10 0.09 0.24 7.31 0.12 0.08 0.12 8.73 周末 -0.35 0.16 0.03 -21.44 0.17 0.08 0.04 12.78 0.17 0.07 0.02 12.87 SB 一周 0.53 0.30 0.07 44.36 -0.31 0.16 0.05 -19.57 -0.22 0.14 0.12 -13.88 学习日 0.42 0.27 0.13 33.76 -0.24 0.15 0.01 -15.53 -0.18 0.13 0.17 -11.50 周末 0.30 0.19 0.11 22.79 -0.17 0.10 0.09 -11.27 -0.12 0.09 0.16 -8.21 女 LPA 一周 -0.28 0.09 < 0.01 -17.83 0.16 0.05 < 0.01 11.64 0.12 0.05 0.01 9.01 (n=385) 学习日 -0.29 0.09 < 0.01 -18.27 0.16 0.05 < 0.01 12.02 0.13 0.04 0.01 9.23 周末 -0.15 0.08 0.06 -9.97 0.08 0.04 0.06 5.72 0.07 0.04 0.08 5.06 SB 一周 0.16 0.18 0.38 11.47 -0.08 0.09 0.37 -5.55 -0.07 0.09 0.41 -5.01 学习日 0.03 0.17 0.85 2.31 -0.02 0.09 0.83 -1.32 -0.01 0.09 0.88 -0.94 周末 0.19 0.11 0.08 13.77 -0.09 0.06 0.11 -5.96 -0.10 0.05 0.07 -6.53
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表 3 不同性别学生一周LPA和SB等时替代10 min引起体成分百分比的变化
Table 3. Changes in percentages of body composition caused by a 10-minute redistribution of LPA and SB during one week among students of different genders
性别 等时替代 FM/% LM/% BMC/% 男生 +LPA-SB -0.15(-0.26~-0.04)* 0.14(0.03~0.24)* 0.01(0.00~0.01) (n=309) +SB-LPA 0.15(0.03~0.27)* -0.14(-0.25~-0.03)* -0.01(-0.01~0.00) 女生 +LPA-SB -0.18(-0.27~-0.08)* 0.17(0.07~0.26)* 0.01(0.00~0.02) (n=385) +SB-LP 0.18(0.08~0.29)* -0.17(-0.27~-0.08)* -0.01(-0.02~0.00) 注： *P < 0.05；+为增加10 min，-为减少10 min；()内数字为95%CI。
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表 4 不同性别学生周末与学习日LPA和SB等时替代10 min引起体成分百分比的变化
Table 4. Changes in percentages of body composition caused by a 10-minute redistribution of LPA and SB between weekends and weekdays among students of different genders
性别 等时替代 学习日 周末 FM LM BMC FM LM BMC 男生 +LPA-SB -0.12(-0.22~-0.02)* 0.11(0.02~0.21)* 0.01(0.00~0.01) -0.16(-0.27~-0.04)* 0.15(0.03~0.26)* 0.01(0.00~0.01) (n=309) +SB-LPA 0.12(0.02~0.23)* -0.11(-0.21~-0.02)* -0.01(-0.01~0.00) 0.16(0.04~0.29)* -0.15(-0.28~-0.03)* 0.01(-0.01~0.00) 女生 +LPA-SB -0.16(-0.25~-0.07)* 0.15(0.07~0.24)* 0.01(0.00~0.01) -0.10(-020~0.00) 0.10(0.00~0.19) 0.01(0.00~0.01) (n=385) +SB-LPA 0.16(0.07~0.26)* -0.16(-0.24~-0.07)* -0.01(-0.01~0.00) 0.11(0.00~0.21) -0.10(-0.20~0.00) -0.01(-0.01~0.00) 注： *P < 0.05；+为增加10 min，-为减少10 min；()内数字为95%CI。
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