涂春景 ,張彥峰,武東明,王 歡,江崇民
中共中央、國務院于2016年印發(fā)并實施的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》要求,開展國民體質測試,完善體質健康監(jiān)測體系,開發(fā)應用國民體質健康監(jiān)測大數(shù)據(jù)。自2000年以來,中國每5年進行1次國民體質測試。在體質評價方面,中國于2003年發(fā)布了第一個全國性國民體質評價標準《國民體質測定標準(幼兒部分)》(以下簡稱“2003年標準”)?!?003年標準”在較長時期內對中國體質監(jiān)測工作起到重要指導作用,但隨著體質研究的不斷深入,逐漸顯露出以下不足(國家體育總局,2003):1)在年齡縱向維度,該標準只提供了7個年齡段的離散型標準,而非連續(xù)性呈現(xiàn),難以體現(xiàn)幼兒體質隨年齡快速變化的生理特點。在同年齡段橫截面維度,評分標準為等級制,沒有考慮同等級內的個體差異和相鄰等級間突變問題,無法進行精準的個性化評估。2)各指標評分標準制定方法比較簡單,部分指標的百分位數(shù)波動較大,特別是時間序列指標的高位及低位百分位數(shù)。3)不便于制定在線測評系統(tǒng)。4)2000年至今,中國幼兒營養(yǎng)狀況持續(xù)改善,幼兒體質發(fā)生了較大變化,如果繼續(xù)使用“2003年標準”進行體質評價將會產(chǎn)生偏差。有研究表明,幼兒年齡段的“2003年標準”存在區(qū)分度不足(謝松林 等,2019)、無法進行個性化評價(全海英 等,2013,2016)等問題。由此可知,當前中國體質測評體系明顯存在評價標準落后于測試的現(xiàn)狀。鑒于此,應探索更加科學有效的標準制定方法,制定新的體質評價標準,完善中國幼兒體質健康測評體系。
百分位數(shù)曲線標準圖表可以進行精準的個性化評估,在體質評價標準中得到廣泛應用。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)制定了 0~5 歲(WHO,2007)和 5~19 歲(Mercedes et al., 2007)兒童青少年百分位數(shù)曲線生長標準。21世紀國際胎兒和新生兒生長聯(lián)合會(International Fetal and Newborn Growth Consortium for the 21stCentury, INTERGROWTH-21st)制定了胎兒和新生兒體質百分位數(shù)曲線標準(Papageorghiou et al.,2014;Villar et al.,2014)。美國(Kuczmarski et al.,2002)、荷蘭(Cole et al.,1999)、烏克蘭(Nyankovskyy et al.,2018)等國家先后制定了兒童體質百分位曲線標準。在中國,季瀏等(2021)運用LMS法建立了中國7~22歲兒童青少年單項體質健康指標的百分位數(shù)曲線,并以C10、C50、C90為臨界值劃分體質健康的等級評分標準;首都兒科研究所運用LMS法建立了9個省會城市兒童青少年的身體形態(tài)指標百分位數(shù)標準曲線(李輝 等,2009;宗心南 等2020)。但鮮有基于全國的3~6歲幼兒體質百分位數(shù)曲線標準。
隨著數(shù)理統(tǒng)計的發(fā)展和標準制定技術的進步,新的統(tǒng)計方法在體制標準研制中應用日趨普遍(楊樺 等,2020)。GAMLSS 模 型 法(generalized additive model for location,scale and shape)是當前國際上制定百分位數(shù)標準曲線的先進方法,該方法由Rigby等(2004)在LMS法(偏度-中位數(shù)-變異系數(shù)法)基礎上創(chuàng)立,其既可對正態(tài)分布數(shù)據(jù)建模,也可對峰態(tài)分布或偏態(tài)分布的數(shù)據(jù)建模,包括對高度偏態(tài)分布和高峰度分布數(shù)據(jù)建模。由于GAMLSS模型在建立百分位數(shù)曲線方面的先進性,使其被廣泛應用,多個國際組織和國家均運用GAMLSS模型制定了兒童體質健康指標的百分位標準曲線,如WHO兒童生長標準圖表(Mercedes et al.,2007;WHO, 2007)、國際肺功能百分位標準曲線(Quanjer et al., 2012)等。在中國,GAMLSS模型已經(jīng)應用于體質健康領域,如基于年齡和身高的中國兒童血壓標準(范暉 等,2017)和中國3~6歲幼兒BMI百分位數(shù)曲線參考標準(涂春景 等,2021)等。
因此,本研究在“2003年標準”的基礎上,運用GAMLSS 模型(Rigby et al., 2004; Stasinopoulos et al., 2018)構建中國3~6歲幼兒體質指標的百分位標準曲線,并根據(jù)所建百分位標準曲線劃分等級,建立連續(xù)性的體質評分標準。
1.1.1 建模數(shù)據(jù)來源
建模數(shù)據(jù)來自國家國民體質監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫,包括2010年和2014年國民體質監(jiān)測得到的涵蓋我國大陸31個省(自治區(qū)、直轄市)3~6歲幼兒體質數(shù)據(jù)。國民體質測試樣本均按照分層隨機整群抽樣原則進行樣本選取,即在各省域內按照經(jīng)濟發(fā)展水平分為一類、二類和三類地區(qū),并分城鄉(xiāng)、性別4類樣本(國家體育總局, 2017)。
1.1.2 建模數(shù)據(jù)預處理
1.1.3 回代驗證數(shù)據(jù)來源
考慮到驗證樣本應具有一定分散性以及數(shù)據(jù)獲取的便利性,本研究回代驗證數(shù)據(jù)采集了云南、四川、浙江和北京等4省份3~6歲幼兒體質數(shù)據(jù)。抽樣原則、測試方法、質量控制等與歷次國民體質監(jiān)測一致(國家體育總局,2017)。其中,浙江省和北京市測試時間為2018年4月—2019年6月,云南省和四川省測試時間為2019年9—12月,測試儀器為健民牌II型體質測試器材,與國家國民體質監(jiān)測中心一致。測試對象分為城鎮(zhèn)幼兒、農村幼兒,按性別分為4類樣本,以每1歲為1個年齡組。排除異常數(shù)據(jù)后,4省份分別得到有效樣本量為:云南?。ɡッ魇?、普洱市和臨滄市)2 261人(男1 137人、女1 124人),四川省(成都市、自貢市、廣元市)2 286人(男1 140人、女1 146人),浙江?。ê贾菔?、嘉興市)2 728人(男1 381人、女1 347人),北京市(東城區(qū)、豐臺區(qū))2 426人(男1 282人、女1 144人),合計9 701人(男4 940人、女4 761人)。
原始指標:身高、坐位體前屈、雙腳連續(xù)跳、走平衡木、10 m折返跑、網(wǎng)球擲遠和立定跳遠。
派生指標:身高標準體質量。
1)運用GAMLSS法構建體質指標百分位標準曲線。
2)體質指標評分標準制定方法:基于百分位標準曲線劃分評分等級,運用插值法建立等級內連續(xù)性評分函數(shù)方程。
3)回代檢驗與評分實驗:運用回代數(shù)據(jù)對所建模型進行有效性檢驗,并運用新舊標準進行評分比較實驗。
建模主要步驟:首先選擇能反映原始數(shù)據(jù)本真的最優(yōu)子模型,然后調節(jié)優(yōu)化各參數(shù)曲線,最后建立百分位數(shù)曲線及其參考值。以雙腳連續(xù)跳指標為例說明建模過程。
2.1.1 雙腳連續(xù)跳指標的建模過程
2.1.1.1 樣本特征值分析
中國3~6歲幼兒各年齡組雙腳連續(xù)跳的均值、標準差、偏度和峰度等樣本特征值表明(表1):男幼兒各年齡組的偏度系數(shù)范圍為1.2~2.0,女幼兒各年齡組的偏度系數(shù)范圍為1.1~2.2,均存在右偏;男幼兒各年齡組峰度系數(shù)范圍為1.2~7.9,女幼兒各年齡組峰度系數(shù)范圍為1.1~12.0,各年齡組峰度均為尖峰;各年齡組偏度和峰度正態(tài)性檢驗均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),故建模需要考慮原始數(shù)據(jù)存在偏度和峰度,而GAMLSS模型構建的百分位數(shù)曲線是由中位數(shù)(μ)、標準差(σ)、偏度(ν)和峰度(τ)4個參數(shù)曲線來表達,所以選擇該模型構建百分位數(shù)曲線能較好地挖掘樣本數(shù)據(jù)的原始信息。
表1 建模樣本人群雙腳連續(xù)跳的特征值Table 1 Eigenvalues of Continuous Jumping with Both Feet of the Modeling Sample Population
2.1.1.2 最優(yōu)子模型的選擇和參數(shù)曲線調優(yōu)
GAMLSS模型包含系列分布子模型,模型選擇判斷標準是依據(jù)赤池信息準則(Akaike information criterion,AIC)和 貝 葉 斯 信 息 準 則(Schwartz’s Bayesian criterion,SBC)。具體步驟:運用gamlss函數(shù)進行迭代運算,根據(jù)判斷標準對運算結果進行比較(涂春景 等,2021; Rigby et al., 2004)。依此,本研究男、女幼兒最優(yōu)子分布模型均為BCPEo (Box-Cox-Power-Expon.orig)模型,且模型冪轉換系數(shù)ξ均為1.4。上述運算同時得出男、女幼兒參數(shù)μ、σ、ν、τ的初始自由度。
最佳曲線應兼顧曲線的光滑度和擬合度,而參數(shù)自由度大小是影響曲線光滑度和擬合度的核心因素。因此,本研究微調參數(shù)初始自由度,經(jīng)比較后得到較優(yōu)的模型自由度:男幼兒參數(shù)μ、σ、ν、τ的自由度分別為mu.df(μ)=6.65,sigma.df(σ)=5.06,nu.df(ν)=3.89,tau.df(τ)=3.69;女幼兒參數(shù)μ、σ、ν、τ的自由度分別為mu.df(μ)=6.66,sigma.df(σ)=5.52,nu.df(ν)=3.99,tau.df(τ)=5.64。
2.1.1.3 分布模型的參數(shù)擬合曲線方程
根據(jù)上述雙腳連續(xù)跳的GAMLSS最優(yōu)分布子模型和參數(shù)的自由度,得出參數(shù)擬合曲線方程。
1)男幼兒雙腳連續(xù)跳分布模型為BCPEo,參數(shù)μ、σ、ν、τ的擬合方程為:
log(μ)=2.47-0.06cs(age^1.41,4.65)
log(σ)=-0.65-0.07cs(age^1.41,3.06)
ν=0.03-0.09cs(age^1.41,1.89)
log(τ)=-0.09-0.05cs(age^1.41,1.69)
2)女幼兒雙腳連續(xù)跳分布模型為BCPEo,參數(shù)μ、σ、ν、τ的擬合方程為:
log(μ)=2.53-0.06cs(age^1.42,4.66)
log(σ)=-0.68-0.07cs(age^1.42,3.52)
ν=-0.07-0.09cs(age^1.42,1.99)
log(τ)=1.06-0.04cs(age^1.42,3.64)
2.1.1.4 雙腳連續(xù)跳的百分位數(shù)曲線擬合優(yōu)度檢驗
模型擬合效果定性診斷:男、女幼兒所建模型的殘差核密度估計圖近似正態(tài)分布圖,殘差Q-Q圖上的絕大多數(shù)點近似分布在一條直線上(除遠端少部分點離散),表明樣本殘差分位數(shù)與正態(tài)分布理論分位數(shù)比較吻合。
模型擬合效果定量診斷:男、女幼兒所建模型的殘差平均數(shù)、方差、偏度和峰度均非常接近正態(tài)分布參考標準值。因此,男、女幼兒模型擬合優(yōu)度符合要求。
2.1.1.5 雙腳連續(xù)跳指標的百分位標準曲線和Z分標準值
1)男、女幼兒共同特征:百分位數(shù)曲線圖的形狀基本相似,C5與C95之間距離均隨年齡增加而減小,且C90-C50>C50-C5;C50隨年齡增加而減小,3~5歲減幅大,而5~6歲減幅小、曲線平緩,由此可知3~5歲是幼兒雙腳連續(xù)跳成績快速提高期。2)男、女幼兒不同特征:男幼兒百分位數(shù)均大于同年齡的女幼兒,且隨年齡增加差距越來越?。慌變撼煽冸S年齡增加提高更快(表2,圖1)。
表2 中國3~6歲幼兒雙腳連續(xù)跳的百分位數(shù)曲線參考標準和標準差單位值Table 2 Reference Standard for Percentile Curves and Standard Deviation Unit Value of Continuous Jumping with Both Feet of Children Aged 3 to 6 in China
圖1 中國3~6歲幼兒雙腳連續(xù)跳的百分位標準曲線Figure 1. Percentile Standard Curves of Continuous Jumping with Both Feet of Children Aged 3 to 6 Years Old in China
2.1.2 其他體質指標百分位標準曲線的研制結果
根據(jù)“雙腳連續(xù)跳”指標研制過程與方法,身高標準體質量Z分標準曲線①因身高標準體質量評分標準以Z分標準值劃分等級,所以此處提供Z分標準曲線圖。如圖2所示,其余各指標的百分位標準曲線參考值如表3所示,考慮到篇幅,此處未逐一列出各單項體質指標百分位數(shù)曲線圖。
表3 中國3~6歲幼兒體質指標百分位標準曲線參考值Table 3 Reference Values of Percentile Standard Curves of Physical Fitness Indexes of Children Aged 3 to 6 Years Old in China
圖2 中國3~6歲幼兒身高標準體質量Z分標準曲線Figure 2. Z-Score Standard Curves of Weight-for-Height of Children Aged 3 to 6 Years Old in China
擬合效果檢驗發(fā)現(xiàn),各體質指標所建模型的殘差核密度估計圖近似正態(tài)分布,殘差Q-Q圖上的點近似在一條直線上;定量檢驗中平均數(shù)、方差、偏度和峰度的殘差均非常接近正態(tài)分布參考標準,擬合效果符合要求。
2.1.3 回代檢驗
建模過程中已對模型的擬合效果進行了定性與定量兩方面檢驗,檢驗結果良好。同時,考慮到參考標準是為了實踐應用,采用2018—2019年實測數(shù)據(jù)對百分位標準曲線進行回代檢驗,比較回代數(shù)據(jù)在所建百分位標準曲線下分布與實際分布的一致性,驗證有效性。
按照已建立的百分位數(shù)曲線,統(tǒng)計樣例在C10、C35、C65和C90以下的百分數(shù)。回代檢驗結果表明,身高、體質量等7個原始指標百分位下的例數(shù)與實際例數(shù)的差異率男幼兒為-2.5%~1.9%、女幼兒為-3.4%~2.9%,派生指標身高標準體質量差異率男幼兒為-1.1%~1.3%、女幼兒為-0.7%~1.5%。由此可知,各年齡組差異率都在5%以下,進一步統(tǒng)計所有差異率,發(fā)現(xiàn)在1%以內的占80%。相關研究表明,回代檢驗差異率在5%以下為合格(練碧貞 等, 2019;席翼 等, 2013)。因此,本研究所建百分位標準曲線一致性良好。
依據(jù)體質指標百分位標準曲線,以特定百分位數(shù)曲線作為劃分評分等級的臨界值,進行等級賦分,并建立每個等級內連續(xù)性評分函數(shù)方程。
2.2.1 各等級臨界值劃分方法
考慮新評分標準與“2003年標準”的連續(xù)性,本研究采用5分等級制評分法,且各等級臨界值沿用“2003年標準”劃分方法(江崇民 等,2004)。具體評分如下:身高標準體質量指標按照-2S、-S、+S、+2S標準差為臨界值,即[-3S,-2S]和[2S,+3S]為1分、[-2S,-S]和[+S,+2S]為3分,[-S,+S]為5分,其余體質指標以C10、C35、C65和C90等4條百分位數(shù)曲線劃分各等級。其中,高優(yōu)指標[C0,C10]為1分、[C10,C35]為2分、[C35,C65]為3分、[C65,C90]為4分、≥C90為5分;低優(yōu)指標≥C90為1分、[C65,C90]為 2 分 、[C35,C65]為 3 分 、[C10,C35]為4分、[C0,C10]為5分。評分結果反映被評價者的某項指標在該年齡點所處位置,評分越高說明體質水平越好。
2.2.2 構建各等級區(qū)間內的連續(xù)性評分函數(shù)方程
參照相關研究等級內部評分方法(王國軍,2013),本研究運用Z分插值法制定各等級內部連續(xù)性評分函數(shù)。例如,高優(yōu)指標3分,其Z分區(qū)間為-0.385~0.385,對應的百分位數(shù)為C35~C65,其Z分法連續(xù)性評分公式為:
按此方法可得各等級結果如下。
1)高優(yōu)指標,按等級分區(qū)間,Z分法連續(xù)性評分公式為:
1分,對應-3≤Z≤-1.282,Y1=0.872 9Z+2.62
2分,對應-1.282≤Z≤-0.385,Y2=1.115 7Z+2.93
3分,對應-0.385≤Z≤0.385,Y3=1.298 7Z+3.07
4分,對應0.385≤Z≤1.281 6,Y4=1.115 7Z+2.93
5分,對應1.281 6≤Z≤3,Y5=0.581 9Z+3.75
2)低優(yōu)指標,按等級分區(qū)間,Z分法連續(xù)性評分公式為:
1分,對應1.282≤Z≤3,Y1=-0.872 9Z+2.62
2分,對應0.385≤Z≤1.282,Y2=-1.115 7Z+2.93
3分,對應-0.385≤Z≤0.385,Y3=-1.298 7Z+3.07
4分,對應-1.282≤Z≤-0.385,Y4=-1.115 7Z+2.93
5分,對應-3≤Z≤-1.281 6,Y5=-0.581 9Z+3.75
3)中優(yōu)指標(身高標準體質量),評分公式為:
1分,分 2種情況:當-3≤Z≤-2時,Y1右=2×Z-6;當2≤Z≤3時,Y1左=-2×Z+6
3分,分 2種情況:當-2≤Z≤-1時,Y3左=2×Z+6;當1≤Z≤2時,Y3右=-2×Z+6
5分,分 2種情況:當-1≤Z≤0時,Y5左=1.5×Z+5;當0≤Z≤1時,Y5右=-1.5×Z+5
根據(jù)上述評分方法,評分步驟為:在各單項指標百分位數(shù)曲線圖表(或Z分值圖表)中,通過年齡和體質成績查找個體成績在圖表中對應的百分位數(shù),再將百分位數(shù)根據(jù)標準正態(tài)分布表轉換為Z值,并代入Y與Z分的函數(shù)方程,即可得出個體體質指標的評分結果。
1)百分位標準曲線特征。研究結果顯示,各體質指標成績隨年齡增長而提高,其中“低優(yōu)指標”(如雙腳連續(xù)跳和走平衡木等)百分位數(shù)曲線隨年齡增加由高到低,“高優(yōu)指標”(如網(wǎng)球擲遠和立定跳遠等)則相反,因此,各體質指標(除坐位體前屈之外)隨年齡增長均呈正向變化,與已有研究結論一致(馬宇飛 等,2014;周喆嘯 等,2020)。本研究結果與WHO(2007)的身高C50參考值比較可知,男、女幼兒各年齡平均差值比WHO分別高1.3 cm(1.2%)、0.7 cm(0.6%),存在這種差異原因可能與樣本數(shù)據(jù)采集時間和國家有關。雖然存在上述差異,但本研究身體形態(tài)指標百分位圖與WHO(2007)兒童生長發(fā)育標準圖在形態(tài)上具有相似的變化趨勢。
2)百分位數(shù)曲線性別差異分析。通過比較男、女幼兒C50的參考值可知,男幼兒身高、雙腳連續(xù)跳、10 m折返跑、網(wǎng)球擲遠、走平衡木、立定跳遠均優(yōu)于女幼兒,男、女幼兒差值分別為 1.6 cm(1.5%)、0.3 s(4.0%)、0.3 s(4.1%)、1.0 cm(24.0%)、0.3 s(3.3%)、5.2 cm(6.4%),但男幼兒坐位體前屈比女幼兒差2.2 cm(18.4%)。這說明幼兒時期部分體質指標已顯現(xiàn)出性別差異,與已有研究結論一致(徐偉 等,2018;Latorre et al.,2017)。
以男幼兒10 m折返跑指標為例,對比本研究百分位數(shù)曲線標準和“2003年標準”等級劃分的百分位數(shù)(圖3)。
圖3 本研究10 m折返跑百分位標準曲線與“2003年標準”對比Figure 3. Comparison of the Percentile Standard Curves of the 10 m Shuttle Run between the Current Study and the“ 2003 Standard”
1)本研究標準在年齡縱向維度上提供了精準化評價結果,即任意年齡點的百分位數(shù)參考值。自變量年齡以“日”“月”為單位的參考標準,能體現(xiàn)幼兒時期生理機能隨年齡增加而快速變化的特點;而“2003年標準”只提供了3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5和6.0歲共7個年齡組的百分位數(shù)參考值,無法區(qū)分不同月齡的體質差異,忽略了同年齡不同月齡幼兒生理變化的特點。2)本研究標準在橫截面維度上提供了精準化評價結果,在同年齡橫截面上提供了任意百分位數(shù),如第1.1百分位、第2百分位、第99.9百分位等,而“2003年標準”只提供了第10、35、65和90等有限數(shù)量百分位數(shù)。3)本研究標準曲線平滑,誤差較??;而“2003年標準”波動大,各年齡組間變化不穩(wěn)定,尤其是高位和低位百分位數(shù),如C95和C5。4)本研究制定的百分位數(shù)標準曲線可以劃分評價等級,如以C35、C65、C90作為不及格、合格、良好和優(yōu)秀的臨界值或臨界線。更為重要的是,其還可用于重要健康標準的劃分,制定健康預警標準。
使用本研究標準和“2003年標準”對其余各體質指標進行對比,也得到類似結論。
為了比較本研究評分標準與“2003年標準”在實際應用中的差異,隨機選取回代驗證數(shù)據(jù)中的16名幼兒(男、女幼兒各8名,其中A1~A8為男幼兒,B1~B8為女幼兒,年齡為月齡),以低優(yōu)指標10 m折返跑為例進行評分實驗。結果表明,B4、B5 2名幼兒10 m折返跑成績分別為8.1、6.9 s,采用本研究標準對B4、B5 評分結果分別是2.5和3.2分,而按照“2003年標準”均為3.0分(表4)。其他指標也有類似的結論。因此,相比于“2003年標準”,本研究標準既能夠個性化評分又兼顧等級評分,能更準確反映中國幼兒的體質健康現(xiàn)狀。
表4 本研究10 m折返跑評分標準和“2003年標準”評分標準比較Table 4 Comparison of the Scoring Standard of the 10 m Shuttle Run between the Current Study and the “2003 Standard”
1)本研究基于GAMLSS模型的構建了各體質指標百分位數(shù)參考標準圖表及相關參數(shù)方程,所建百分位標準曲線光滑穩(wěn)定,檢驗表明模型的擬合優(yōu)度較優(yōu),回代檢驗也顯示應用模型進行評價有較高的有效性。
2)本研究結果優(yōu)化了“2003年標準”在縱向維度和橫截面維度上非連續(xù)、波動大、等級間突變等問題。建立的評分標準同時提供了各體質指標等級評分標準和等級內的連續(xù)性評分方程,達到了提供個性化評價標準的目標。
3)本研究基于全國國民體質監(jiān)測數(shù)據(jù),樣本量大、代表性廣,結合GAMLSS模型建立百分位標準曲線以及兼具現(xiàn)實性和前瞻性的個性化評價標準,在評價我國3~6歲幼兒體質健康時可參考使用。
本研究驗證了GAMLSS模型在制定單項體質指標百分位數(shù)曲線參考值以及在制定百分位數(shù)曲線方面具有優(yōu)越性和普適性,可推廣應用于其他體質指標參考標準或未來新增指標參考標準的制定。同時,也可結合學齡兒童甚至成年人、老年人建立更長年齡區(qū)間的百分位數(shù)曲線標準,以便縱向追蹤個人體質發(fā)展歷程與趨勢。未來可結合當前5G科技成果,進一步開發(fā)智能化在線體質健康監(jiān)測平臺,通過5G手機端即可實現(xiàn)個體或群體單項指標精準評分。