Objektiva metoder för bestämning av fysisk aktivitet

Transkript

1 Objektiva metoder för bestämning av fysisk aktivitet Ökar förståelsen för sambandet mellan aktivitet och hälsa Avsaknad av lämpliga metoder med förmåga att återge mängd och mönster av fysisk aktivitet med god tillförlitlighet i större urvalsgrupper har utgjort en begränsande faktor för vår förståelse av sambandet mellan fysisk aktivitet och hälsa. För att öka kunskapen inom detta område är en fortgående utveckling och utvärdering av såväl etablerade som nytillkomna metoder för bestämning av fysisk aktivitet i dess olika dimensioner av största vikt. Andreas Nilsson Anita hurtigwennlöf Ulf Ekelund PrevNut vid Novum, Stockholms läns landsting och Karolinska institutet Subjektiva metoder, exempelvis enkäter, är ofta använda för bestämning av fysisk aktivitet. Dessa instrument är dock förenade med brister. Ta barn som exempel. Barns förmåga att minnas och kunna redogöra för sina aktivitetsvanor är troligen sämre i jämförelse med vuxna vilket gör subjektiva metoder olämpliga i unga åldersgrupper. Barns fysiska aktivitetsmönster är dessutom rent metodologiskt mer komplicerat att mäta då detta karaktäriseras som högfrekvent spontan aktivitet med kort duration och snabba variationer av hög och låg intensitet (1). Det finns idag objektiva metoder med förmåga att mäta fysisk aktivitet med avseende på dess intensitet, duration och frekvens. Dessutom kan total energiförbrukning bestämmas med god tillförlitlighet. Mått på energiförbrukningen bidrar med viktig och intressant information angående den totala fysiska aktiviteten hos individer och endast objektiva metoder kan presentera ett sådant mått med acceptabel validitet och reproducerbarhet. Energiförbrukningen kan bestämmas genom direkt mätning av syre- och koldioxidförbrukningen eller indirekt genom att exempelvis mäta hjärtfrekvensen. Problemet är dock att metoder som direkt kan mäta energiförbrukning med hög tillförlitlighet är opraktiska att använda i fältstudier medan metoder lämpliga för detta istället uppvisar lägre tillförlitlighet. Samtliga de objektiva metoder som idag finns tillgängliga är förenade med brister och valet av metod är avhängigt både av praktiska orsaker och undersökningens syfte. Ett antal krav kan dock ställas på de använda metoderna. Metoden ska ha prövats (validerats) för den dimension av aktivitet som den är avsedd att mäta. Metoden ska i så liten utsträckning som möjligt påverka försökspersonernas normala levnadsvanor. Mätinstrumentet ska vara så konstruerat att det tål de påfrestningar som det kan tänkas utsättas för (t.ex. barns lek) utan att mätdata påverkas. De mest använda objektiva metoderna idag är dubbelmärkt vatten metoden, hjärtfrekvensregistrering samt aktivitetsmätare i form av accelerometrar och pedometrar, där alla i olika grad uppfyller de ovan nämnda kraven för bestämning av fysisk aktivitet. Dubbel-märkt vatten metoden Dubbelmärkt vatten metoden (DLW) är för närvarande den mest tillförlitliga metoden för bestämning av total ener- 8

2 Tabell 1. Summering av styrkor och svagheter förenade med objektiva metoder för mätning av fysisk aktivitet Metod Fördelar Nackdelar Dubbelmärkt vatten metoden Hjärtfrekvensregistrering Accelerometer Pedometer Ger tillförlitligt mått på total energiförbrukning (TEE) Ger tillförlitligt mått på energikostnad från fysisk aktivitet (TEE-BMR) Kräver liten insats av testpersonen och påverkar ej dennes normala levnadsvanor Ger mått på total energiförbrukning (TEE) Ge information om intensitet, duration och frekvens av den fysiska aktiviteten Kan användas på relativt stora urvalsgrupper inkluderande barn och ungdomar Kan användas under bad/simning Ger mått på total mängd fysisk aktivitet Ger information om intensitet, duration och frekvens av den fysiska aktiviteten Kan med fördel användas på unga urvalsgrupper Kan lagra stora mängder data Billig kostnad i förhållande till övriga objektiva metoder Kan användas på stora urval giförbrukning (TEE) utanför laboratoriemiljö. Metoden anses därför också som den bäst lämpade som referensmetod vid valideringar av andra mätmetoder för bestämning av fysisk aktivitet. Metoden har använts sedan 1950-talet men användes inte på människor förrän på 1980-talet på grund av de höga kostnader som följer med metodförfarandet. Energiförbrukningen bestäms genom att testpersonerna dricker en mängd vatten som är märkt i den mening att vattnet innehåller väteisotopen deuterium ( 2 H) och syreisotopen syre-18 ( 18 O). Isotopernas aktivitet i kroppen skiljer sig inget från de vanliga isotoperna ( 1 H och 16 O) men då väte och syre av naturen är mer ovanliga i form av deuterium och syre-18 är dess aktivitet enklare att upptäcka och studera. De båda isotoperna är naturligt förekommande. Därför tas först ett urinprov då kroppens basnivå av de aktuella isotoperna bestäms. Mängden av märkta isotoper som intas är individuellt baserat på kroppsvikten. En av isotoperna (deuterium) elimineras från kroppen via vattenomsättningen (främst via urin och svett) medan den andra (syre-18) elimineras både via vattenomsättningen och koldioxidproduktionen. Koldioxidproduktionen kan därför bestämmas genom att man undersöker differensen i elimineringshastighet mellan isotoperna sedan de intogs. Analysen av mängd isotoper som försvunnit sedan testperiodens början görs via urinprov som tas under testperiodens gång. Testperioden varierar men pågår oftast mellan 1-3 veckor. För att kunna bestämma energiförbrukningen utifrån koldioxidproduktion krävs information om testpersonens respiratoriska kvot (RQ). Kolhydrater, fett och protein ger var för sig olika RQ och då vår kost är en blandning av dessa makronäringsämnen blir RQ-värdet svår att bestämma exakt. Ibland används ett medeltal på 0.85 som RQ men osäkerheten kring riktigheten av en uppskattad RQ anses ensamt kunna ge ett bestämningsfel av energiförbrukningen runt 3 %. RQ-värdet kan dock predikteras via en så kallad food quotient (FQ) vilket kan bestämmas utifrån testpersonens kostintag under testperioden. En respiratorisk kvot bestämd via FQ anses ge högre tillförlitlighet än ett antaget medelvärde. Resultatet från dubbelmärkt vatten metoden har jämförts med motsvarande resultat mätt via indirekt kalorimetri i kalorimetrikammare och visats kunna bestämma energiförbrukningen med en felmarginal på mellan 4 till 7 % på gruppnivå (9). Metodens fördelar innefattar till exempel att den är helt ofarlig och kräver liten insats av testpersonerna (Tabell). En annan viktig fördel är att metoden inte på något sätt påverkar testpersonernas dagliga levnadsvanor. Metodens nackdelar inbegriper den tidskrävande analysen samt de höga kostnader för isotoperna och den analysutrustning som krävs. De höga kostnaderna medför också att studier knappast kan genomföras på större Tekniskt krävande analysförfarande (avancerad teknisk utrustning samt personal med expertis) Kostnad ( kr per dos beroende på kroppsstorlek). Kan därför ej användas på större urvalsgrupper Indirekt mått på fysisk aktivitet. Behov av individuell kalibrering av varje testperson är tid- och arbetskrävande Hjärtfrekvensen påverkas av andra faktorer än fysisk aktivitet (kroppsläge, stress, temperatur, typ av aktivitet) Okänslig för aktiviteter såsom cykling, statiska arbeten, snöskottning etc. Behov av algoritmer för att omvandla count-värde till energiförbrukning Kan ej användas vid bad/ simning Ger ej mått på intensitet och duration av den fysiska aktiviteten Kan ej tillförlitligt prediktera energiförbrukning urvalsgrupper, vilket kan begränsa möjligheter att kunna dra mer generella slutsatser av materialet. Resultatet som erhålls från dubbelmärkt vatten metoden kan på ett sätt anses begränsat då enbart den totala energiförbrukningen presenteras, ingen information om testpersoners fysiska aktivitetsmönster kan således ges. Dock, genom att känna till testpersonens basalmetabolism (BMR) så kan den del av TEE som härrör från fysisk aktivitet bestämmas (AEE = TEE BMR). Det ska dock poängteras att energiförbrukning, vare sig uttryckt 9

3 Rörelsemätare (accelerometer) som TEE eller AEE, inte är ett perfekt mått på fysisk aktivitet på grund av att dessa variabler påverkas av kroppsvikten men även ålder och kön. Resultatet från DLW mätningar kvantifieras därför hellre i form av fysisk aktivitetsnivå (PAL = TEE / BMR) vilket möjliggör jämförelser mellan grupper av olika kön och ålder. Hjärtfrekvensregistrering Registrering av hjärtfrekvens (HF) är en flitigt använd metod för bestämning av fysisk aktivitetsmönster men också energiförbrukning bland både barn och vuxna. Bakgrunden till metodens utveckling bygger på att det finns ett tydligt samband mellan hjärtfrekvens och syreupptagning under aeroba arbeten där skillnader i regressionslinjens lutning mellan individer kan förklaras av deras olika aeroba arbetskapacitet (Figur 1). Vältränade individer uppvisar således en lägre hjärtfrekvens vid en given arbetsbelastning (syreupptagning) jämfört med otränande. Genom att känna till det individuella förhållandet mellan hjärtfrekvens och 10 syreupptagning kan därmed energiförbrukningen beräknas utifrån hjärtfrekvensdata. Det är möjligt att uppskatta energiförbrukningen utifrån ett genomsnittligt HF-värde från exempelvis en dags mätning, vilket också gjorts i tidigare studier, men risken för en hög felprocent av resultatet ökar med detta tillvägagångssätt då HF ej är en tillförlitlig markör för energiförbrukning under vila eller lätta aktiviteter. Kroppsläge, stress eller arbeten med små muskelgrupper, exempelvis armarbete, är också kända faktorer vilka påverkar förhållandet mellan HF och syreupptagningen. För att minska det eventuella metodfelet vid beräkning av energiförbrukning från en genomsnittlig HF bör en kalibrering genomföras där sambandet HR VO 2 fastställs för varje individ i urvalsgruppen. Detta sker genom att HR och VO 2 samtidigt mäts via indirekt kalorimetri under olika typer arbete, exempelvis gång och löpning på löpband. Mätning sker under olika intensiteter då individen uppnått steady-state vid varje arbetsnivå. Dessutom mäts HR och VO 2 under olika former av vila såsom liggande, sittande och stående. Vid analys av datamaterial från hjärtfrekvensregistrering används ofta en så kallad HF FLEX för att skilja mellan fysisk aktivitet och inaktivitet. Definitionen och därmed bestämningen av HF FLEX skiljer sig något studier emellan. HF FLEX har definierats som det faktiska medelvärdet av det högsta HF-värdet i vila (stående) och det lägsta värdet under arbete men också som detta medelvärde + 10 slag/min. Det föreligger idag inte konsensus om vilken definition som bör användas och det är möjligt att faktorer som till exempel individens träningsstatus påverkar HF FLEX. Dessutom är det troligt att HF FLEX kan variera för samma individ från ett mättillfälle till ett annat. Energiförbrukningen kan beräknas genom att resultatet delas upp i tre delar: all tid som är lika med eller understiger HF FLEX, all tid som överstiger HF FLEX samt all sovtid. Det uppmätta individuella förhållandet mellan HF och VO 2 under

4 arbete och i vila kan sedan användas för beräkning av energiförbrukningen under varje minut för all vaken tid. Energiförbrukningen under sovtid beräknas antingen utifrån predikterad eller uppmätt BMR. Vid bestämning av fysiskt aktivitetsmönster registreras hjärtfrekvensen varje minut vilket ger möjlighet att få en detaljerad bild över aktivitetsmönstret under specifika perioder av dagen. Intressanta aspekter av ett sådant datamaterial är exempelvis antalet minuter per dag som individer tillbringar över en specifik intensitet. Dessa resultat kan därefter ställas i relation till fastställda rekommendationer om fysisk aktivitet hos den aktuella urvalsgruppen. Rekommendationer angående lämpliga intensitetsnivåer för en förbättrad fysisk hälsa eller prestationsförmåga anges ofta i % av VO 2max. Tidigare studier, främst bland unga, har använt fasta HF gränser (tex. 140 slag / min) för att beräkna tid i denna intensitet. Fasta HF-gränser kan medföra att tillförlitligheten hos data minskar, även om kön tagits i beaktande, eftersom hjärtfrekvensens respons på ett arbete skiljer sig mellan individer främst beroende på deras olika fysiska arbetsförmåga. Detta understryker vidare behovet av individuella kalibreringar för att få fram tillförlitliga gränsvärden. Kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering med HF FLEX metoden har visat sig kunna uppskatta energiförbrukning med god tillförlitlighet på gruppnivå jämfört med motsvarande värden från dubbelmärkt vatten metoden och indirekt kalorimetri (Tabell) (4). Metoden kan därtill beskriva intensitet, duration och frekvens på ett detaljerat sätt. Moderna HF mätare har kapacitet att lagra data upp till 130 timmar vid registrering med en minuts intervall innan nedladdning krävs. Andra fördelar är att metoden kan användas på relativt stora urvalsgrupper och att den är användbar på barn och unga. Dock kan saker som dålig kontakt mellan sändarbälte och mottagare eller i det fall där mätningen avbryts under dagen och måste sättas igång igen vålla problem, detta speciellt då försöksgruppen är barn. Den främsta svagheten med metoden är, att HF är ett indirekt mått på fysisk aktivitet och inte enbart påverkas av variationer i energiförbrukning. HF är en god indikator för energiförbrukning under arbete men klart osäkrare i vila där exempel som känslomässiga reaktioner, temperatur, kroppsläge, rökning påverkar HF. Även typen Figur 1. Illustration av det linjära sambandet mellan hjärtfrekvens (HF) och syreupptagning (VO2) för två olika individer. Figur 2. Relationen mellan PAL (TEE/BMR) och total aktivitet uttryckt i counts per minut från mätning med accelerometer. PAL är beräknat utifrån total energiförbrukning (TEE) uppmätt med dubbelmärkt vatten metoden och predikterad basalmetabolism (BMR). av arbeten som utförs (kontinuerliga eller intermittenta) kan påverka HF olika i förhållande till den energiförbrukning som krävs för det aktuella arbetet. Den individuella felmarginalen vid uppskattning av total energiförbrukning via HF FLEX metoden kan därför uppgå till 20 % (5). Aktivitetsmätare Utvecklingen av aktivitetsmätare syftar till att kunna bestämma den fysiska aktiviteten genom en direkt mätning av rörelse till skillnad från indirekta mått som hjärtfekvensregistrering. Bakgrunden till metoden kan sägas ha en lång historia då förmodligen den första typen av aktivitetsmätare, den mekaniska pedometern, uppfanns av Leonardo da Vinci för cirka 500 år sedan. Idag används främst elektroniska pedometrar men själva principen för dess mätfunktion är densamma som för den mekaniska. Pedometern registrerar ett värde för varje vertikal acceleration som sker och ett totalt värde över rörel- 11

5 serna eller stegen kan sedan presenteras. Genom användning av pedometrar kan därmed också olika sträckor beräknas utifrån resultatet om steglängden under arbetet är känd. Den elektroniska pedometern, Yamax Digiwalker (SW-701) har i ett par studier (2, 8) validerats mot indirekt kalorimetri under olika aktiviteter och visat sig att under gång kunna registrera antal steg inom rimlig felmarginal, speciellt vid högre hastighet. Det har dock samtidigt konstaterats att pedometern inte är tillförlitlig vad gäller uträkning av sträckor på grund av att steglängden förändras med högre hastighet. Detta medför därmed att energiförbrukningen kan underskattas (Tabell). Det faktum att intensiteten inte kan bestämmas utan enbart stegfrekvens gör pedometern till ett tveksamt verktyg vid bestämning av fysisk aktivitet i mera seriösa sammanhang. Accelerometern kan ses som en vidare utveckling av rörelsemätare med pedometern som utgångspunkt. Accelerometern registrerar alltså förekomst av kroppsrörelser men till skillnad från pedometern kan även rörelsens intensitet mätas. Detta gör att accelerometern kan användas till att både beskriva mängd och mönster av fysisk aktivitet. Accelerometern bärs antingen bak på ryggen eller på höften med hjälp av ett bälte och registrerar sedan frekvensen och intensiteten i kroppens accelerationer som sammantaget bildar ett värde, vanligen kallat counts, som då representerar summan av accelerationerna under ett självvalt intervall. Detta intervall innebär oftast varje minut och accelerometern har då en kapacitet att registrera och lagra data under flera veckor utan nedladdning, vilket är en fördel både vid studier med stora urval eller längre mätperioder. Dess ringa storlek och vikt gör att instrumentet inte utgör något besvär att använda i de flesta situationer, med undantag för bad eller simning undantaget då instrumentet ej tål vatten. Accelerometern kan speciellt ses som lämplig att använda på urvalsgrupper med barn då ingen insats från försökspersonen mer än att bära den all vaken tid krävs. Dessutom har accelerometern fördelen gentemot hjärtfrekvensregistrering att mätningen ej kan störas eller bli avbruten under mätperiodens gång då mätningen ej går att avbryta manuellt. De flesta kommersiellt tillgängliga accelerometrar mäter kroppsrörelser vertikalt, där Computer Science and Applications s (CSA) accelerometer är 12 ofta använd. CSA accelerometern har validerats mot dubbelmärkt vatten metoden bland barn under naturliga levandsförhållanden där counts visade sig återspegla energiförbrukningen med god överensstämmelse (Figur 2) (6). På senare tid har också accelerometrar med kapacitet att mäta rörelser både i vertikal, segmental samt horisontalplanet utvecklats. Trots att modellen teoretiskt borde ha bättre förutsättning för att fånga all typ av aktivitet har validering av en sådan modell, Tracmor, visat ett likartat samband mellan energiförbrukning och counts jämfört med en uniaxial (ex. CSA) (3). För att kunna presentera resultat över tid i olika intensitetsnivåer används specifika cut-off-gränser med avseende på count värdet. Kalibreringar för att fastställa vilka count-värden som motsvarar en viss syreupptagning och därigenom energiförbrukning har genomförts i laboratoriet bland vuxna försökspersoner (7). Då vårt aktivitetsmönster är komplext och inbegriper andra typer av rörelser än bara gång och löpning krävs en utveckling av dessa cut off-gränser för att få en säkrare överensstämmelse mellan erhållet count värde och den faktiska intensiteten. Nackdelar med metoden är exempelvis att viktbärande aktiviteter, cykling och tunga men relativt stillastående aktiviteter såsom snöskottning och olika typer av trädgårdsarbete ej reflekteras i registreringen (Tabell). Accelerometern får, dessa svagheter till trots, ändå anses som lämpad till att mäta total mängd aktivitet under dagen, särskilt med tanke på att tid i specifika aktiviteter som exempelvis cykling trots allt reflekterar en mycket liten del av den totala aktiviteten under ett dygn. Slutord Vilken metod som kan anses som det bästa valet vid bestämning av fysisk aktivitet är svår att svara på. Då metoder med bäst tillförlitlighet också ofta innebär höga kostnader och krävande analys måste detta ställas i relation till forskarens förutsättningar, bortsett då från att själva forskningsfrågan i sig och urvalsgruppens storlek ofta krymper valmöjligheterna. En strävan bör dock vara att i den mån det är möjligt använda objektiva metoder när det gäller bestämning av fysisk aktivitet. Speciellt med tanke på att det lilla vi idag vet om aktivitetsmönster i alla åldersgrupper främst baserats på subjektiva metoder. Det är också viktigt att understryka att metoder som används har blivit ordentligt utvärderade och att denna utvärdering genomförts med en etablerad objektiv referensmetod, företrädesvis dubbelmärkt vatten metoden. Referenser 1. Bailey R, Olson J, Pepper S, Porszasz J, Barstow T, Cooper D. (1995) The level and tempo of children s physical activities: an observational study. Med Sci Sports Exerc 27: Bassset D, Ainsworth B, Swartz A, Strath S, O Brien W, King G. (2000) Validity of four motion sensors in measuring moderate intensity physical activity. Med Sci Sports Exerc, 32 (Suppl 9): Bouten C, Verboeket-van de Venne W, Westerterp K, Verduin M, Janssen J. (1996) Daily physical activity assessment: comparison between movement registration and doubly labeled water. J Appl Physiol, 81: Cessay S, Prentice A, Day K, Murgatroyd P, Goldberg G. (1989) The use of heart rate monitoring in the estimation of energy expenditure: a validation study using indirect whole-body calorimetri. Br J Nutr, 61: Davidson L, McNeill G, Haggarty P, Franklin M. (1997) Free-living energy expenditure of adult men assessed by continous heart-rate monitoring and doublylabelled water. Br J Nutr, 78: Ekelund U, Sjöström M, Yngve A, Poortvliet E, Nilsson A, Froberg K, Wedderkopp N, Westerterp K. (2001) Physical activity assessed by activity monitor and doubly labeled water in children. Med. Sci. Sports Exerc., Vol. 33, Freedson PS, Melanson E, Sirard J. Calibration of the Computer Science and Applications, Inc. accelerometer. Med Sci Sports Exerc, 30: , Hendelman D, Miller K, Baggett C, Debold E, Freedson P. (2000) Validity of accelerometry for the assessment of moderate intensity physical activity in the field. Med Sci Sports Exerc, 32 (Suppl 9): Schoeller D. (1988) Measurements of energy expenditure in free living humans by using doubly labeled water. J Nutr, 118: