（北京體育大學(xué) 北京 100084）

近年來，體力活動促進作為全球關(guān)注熱點在學(xué)術(shù)界被廣泛討論。步數(shù)作為體力活動的一項重要特征，由易被加速度計等測量工具測量，被作為代表體力活動運動量的指標被廣泛應(yīng)用。智能手機以及可穿戴設(shè)備對體力活動的監(jiān)測的設(shè)計參照了計步器與研究用加速度計，同樣提供了步數(shù)的信息。作為消費級產(chǎn)品，不同設(shè)備為了滿足不同層次消費者需求，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級產(chǎn)品被反饋到準確信息，對體力活動過程產(chǎn)生一定程度的干擾。在通過消費級設(shè)備進行體力活動的干預(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，闡述一般的實驗設(shè)計原則，有助于細化實驗設(shè)計，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)果準確性，即硬件測量信效度和軟件計算信效度兩個部分進行討論，后者是直接示于公眾的結(jié)果，而前者直接影響了計算后者的過程。由于各款手機的硬件設(shè)施詳情及具體步數(shù)算法屬于商業(yè)機密，實驗設(shè)計的重點被放在了現(xiàn)實情境的模擬及參考標準的選擇上。

1、實驗情境設(shè)計

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)計的了解會便于研究者找到具體實驗情境，這是目前大部分該方面研究者所遵循的實驗設(shè)計原則之一。

1.1、實驗環(huán)境

測試環(huán)境被分為了實驗室測試環(huán)境及場地環(huán)境兩種，實驗室測試環(huán)境多包含跑臺或配備有監(jiān)測運動狀態(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)點是便于跑步器械本身的反饋使受試者調(diào)整到需要的運動狀態(tài)，以期在受試者更易完成各類精確的活動要求。部分學(xué)者在實驗室環(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)境進行指定運動。場地測試將受試者置于真實的運動環(huán)境中，這樣的實驗設(shè)計會使測試結(jié)果出現(xiàn)更多的誤差，其來源于測試設(shè)計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)實情境中的步行與跑步活動，受試者在處于跑步機情境中時被動運動會引起不同于常態(tài)的步態(tài)。個體被動與主動進行運動時運動模式的部分差異可能會對計步的信度產(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)綜述中提出跑步機運動中設(shè)備會對實際步數(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，即兼顧實驗室的跑臺測試及場地測試。何曉龍在測試載有ios9系統(tǒng)的iphone 5s手機在不同環(huán)境下的步數(shù)監(jiān)測精確性時，除開實驗室環(huán)境下5分鐘的跑臺測試，還另外對受試者進行了在塑膠地、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行以主觀認定的三種步行速度（正常，快速，慢速）前進300步，評價不同路面和受試者行進狀態(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，因為Fitbit設(shè)備和參考設(shè)備都沒有與參考標準標準進行比較。

除了受控情況下的實驗測試以外，為了更好達到模擬日常行為的目的，實驗設(shè)計中可以納入無干預(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行至少進行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)果會逐漸接近于準確。如陳慶國等人在測試載有ios7系統(tǒng)的iphone 4S的計步準確性時，在對50人跑道測試、跑步機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、運動情境設(shè)計

在設(shè)定測試環(huán)境的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員需要對測試的活動情境進行設(shè)計。日?；顒蛹叭粘Ｉ顪y試本身為開放式的測試設(shè)計，對運動情境的設(shè)計要求較低，實驗人員要根據(jù)研究需求為受試者制定定義較為寬泛的獨立或自由活動要求，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運動手環(huán)計步功能日常生活信效度時對13名受試者進行了為期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日為跑步機測試，而第5日為辦公室環(huán)境內(nèi)活動。

關(guān)于跑臺等實驗室環(huán)境下的測試，其研究目的一般是探究智能手機在不同運動狀態(tài)下的步數(shù)測量信效度，需要設(shè)定受試者具體的運動方式及運動水平。比較常見的是對于走跑活動進行定義。對于跑臺測試，已有研究得出了各個不同運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，研究者需要使用其他概念規(guī)定運動狀態(tài)。如何規(guī)定場地測試中行進的運動狀態(tài)是場地測試設(shè)計需要考究的要點之一。大部分研究者從步態(tài)方面對運動進行了規(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，在進行統(tǒng)計分析及討論時很難將某一舒適的行進狀態(tài)準確歸結(jié)為設(shè)備進行計步的初始情境設(shè)定。相對于“配速”，步頻是易于對受試者進行干預(yù)的。且已有研究使用“步頻”這一概念對受試者進行要求。陳曉榮等人要求39名受試者在100m跑道上分別進行步頻為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)拍器進行跨欄項目訓(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步頻的控制工具。

1.3、設(shè)備佩戴位置

在智能手機的行動識別過程中，程序需要判斷手機相對于人體的狀態(tài)。指標的運算算法取決于程序?qū)υO(shè)備運動狀態(tài)的判斷，在進行測試時，也需要考慮這一因素，并納入實驗設(shè)計。Patima Silsupadol在測試中設(shè)計了背袋、小單挎包、皮帶、手持于耳邊、右后褲袋五個穿戴設(shè)備的位置進行不同位置的區(qū)分。Christoph H?chsmann也設(shè)計了背包、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驗的系統(tǒng)綜述將40篇有關(guān)計步測量的文獻內(nèi)容拆解，列舉出了191項不同佩戴位置的比較，其中軀干部位114項，腳踝16項，腕部61項，大部分比較結(jié)果顯示軀干部位的計步測量信效度高于其他部位。

2、參考標準設(shè)定

對于智能手機計步功能準確性的研究屬于信效度研究的一種，除了進行自身比對以外，需要一個具有高效度的參考標準進行校標效度的檢驗。因為個體的行進時易于觀察的運動過程，個體的行進步數(shù)可以被人為的觀察并計數(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)計數(shù)，保證其準確性，人為計數(shù)的效度接近于最高，也有大量研究者采用人為計數(shù)作為校標與測試數(shù)據(jù)進行比對。但是根據(jù)實驗的研究細節(jié)的不同，例如研究指標的增加，部分研究者會采用不同的參考標準。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個方面對計步信效度進行了分析。

而通過與效標比對的數(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 3兩款智能手機體力活動強度監(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的加速度計的計算模式導(dǎo)出活動強度相關(guān)的計數(shù)數(shù)據(jù)，將在測試中同樣被穿戴的ActiGraph加速度計的計數(shù)數(shù)據(jù)作為校標與MATLAB計算結(jié)果進行比較，ActiGraph和手機的相關(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可以作為ActiGraph的補充應(yīng)用用于運動實踐。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)果直接被用于校標的計算算法中，通過邏輯倒推，可以將實驗內(nèi)容看做ActiGraph的加速度計與三部手機傳感器精度的比較，此項研究為硬件測量精確度的檢測設(shè)計作出了提示。

3、結(jié)語

體力活動行為改善是目前國家健康計劃的要點內(nèi)容之一。而步數(shù)是進行體力活動監(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。而利用智能手機進行體力活動監(jiān)測和干預(yù)工作時，由于不同款式智能手機硬件及算法的差距，需要明確其設(shè)備本身的步數(shù)計算信效度。

在進行步數(shù)計算信效度測試時，需要考慮場地，運動情境，佩戴部位等情境設(shè)計因素，根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇合適的參考標準作為效標，綜合的對設(shè)備進行檢測。