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生成一個具有代表性的美國兒童和青少年人體測量數(shù)據(jù)集

《Applied Ergonomics》：Generating a representative anthropometric dataset for U.S. children and youth

【字體：大中小】 時間：2026年03月02日 來源：Applied Ergonomics 3.4

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　　兒童體型數(shù)據(jù)不足的問題，本研究提出基于參數(shù)模型的合成方法，生成2-19歲兒童身高、體重和BMI的連續(xù)分布數(shù)據(jù)，與NHANES 2015-2018實(shí)測數(shù)據(jù)高度吻合，為設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供可靠基礎(chǔ)并支持后續(xù)數(shù)據(jù)更新。

馬修·B·帕金森 | 馬修·P·里德

賓夕法尼亞州立大學(xué)，美國大學(xué)公園市

摘要

人體測量數(shù)據(jù)在兒童產(chǎn)品和環(huán)境設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，但相關(guān)的公開數(shù)據(jù)較為稀缺且難以使用。在美國，正在進(jìn)行中的國家健康與營養(yǎng)調(diào)查（NHANES）收集了成人和兒童的數(shù)據(jù)，其中包括少量人體測量指標(biāo)。NHANES提供了唯一可以用來估算美國人體測量變量的數(shù)據(jù)，但由于抽樣結(jié)構(gòu)的原因，需要使用樣本權(quán)重來計(jì)算這些估計(jì)值。此外，針對兒童和青少年的數(shù)據(jù)量相對較少，而往往需要針對特定年齡段的估計(jì)結(jié)果。因此，已發(fā)布的估計(jì)值中經(jīng)常存在缺失值，尤其是在許多設(shè)計(jì)決策所依據(jù)的較低和較高百分位數(shù)處。為滿足實(shí)踐者的需求，我們提出并驗(yàn)證了一種方法，用于合成2至19歲美國兒童和青少年的未加權(quán)人體測量數(shù)據(jù)集。該方法能夠生成按年齡和性別劃分的身高、體重和體質(zhì)指數(shù)（BMI）的連續(xù)分布模型。與2015-2018年的已發(fā)布非參數(shù)分位數(shù)進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)三種指標(biāo)的一致性非常好。所得到的合成數(shù)據(jù)集可以作為加權(quán)或合成詳細(xì)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)，以便用于設(shè)計(jì)，并且隨著NHANES發(fā)布新數(shù)據(jù)，可以不斷更新這些詳細(xì)數(shù)據(jù)集。

引言

關(guān)于兒童和青少年身體尺寸和形狀（人體測量數(shù)據(jù)）的準(zhǔn)確信息是一項(xiàng)重要資源，對醫(yī)療保健提供者、安全專家以及工程師和設(shè)計(jì)師的工作具有指導(dǎo)意義。人體測量數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)消費(fèi)品、家具、服裝以及安全設(shè)備（如頭盔和兒童安全座椅）的設(shè)計(jì)（Zhang等人，2023年；Acar等人，2023年；De Moura Araujo等人，2023年；Jones等人，2018年；Grainger等人，2017年；Gouvali和Boudolos，2006年）。關(guān)于美國兒童的最廣泛引用的數(shù)據(jù)是由密歇根大學(xué)的研究人員在20世紀(jì)70年代在美國消費(fèi)品安全委員會的支持下收集的（Snyder等人，1975年；Snyder等人，1977年）。盡管對數(shù)千名兒童進(jìn)行了詳細(xì)的手動測量，但這些數(shù)據(jù)以及其他公開數(shù)據(jù)已經(jīng)過時（Shin和Maher，2020年），并且由于人口結(jié)構(gòu)和人口統(tǒng)計(jì)的變化，這些數(shù)據(jù)在20多年前就已不再適用于設(shè)計(jì)（Smith和Nonis，2000年）。Pagano等人（2015年）使用統(tǒng)計(jì)方法更新了Snyder的數(shù)據(jù)，生成了選定變量的百分位數(shù)估計(jì)表，但也指出了對新數(shù)據(jù)的需要。最近，Jones等人（2024年）啟動了“YouthShape.US”研究，旨在收集美國兒童的詳細(xì)人體測量數(shù)據(jù)，結(jié)合了現(xiàn)代三維測量方法。然而，由于在全國范圍內(nèi)進(jìn)行代表性抽樣成本過高，因此需要開發(fā)從YouthShape.US樣本中生成人口估計(jì)的方法。

作為這一過程的第一步，通過對美國人口普查和美國疾病控制與預(yù)防中心（CDC）收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本研究開發(fā)了一個包含按性別劃分的美國兒童身高、體重和體質(zhì)指數(shù)（BMI）的大型代表性合成數(shù)據(jù)集。人口普查數(shù)據(jù)提供了按年齡和性別劃分的兒童數(shù)量估計(jì)；CDC數(shù)據(jù)提供了按年齡和性別劃分的整體身體尺寸和形狀估計(jì)。所得到的數(shù)據(jù)集立即具有實(shí)用性，支持多種設(shè)計(jì)方法以及生成詳細(xì)人體測量估計(jì)的策略（例如，見第1.2節(jié)）。此外，本文中報(bào)告的建模和合成方法是基于YouthShape.US數(shù)據(jù)及其他國家類似研究（例如，Etier等人，2021年；Rababah和Etier，2024年；Cheng等人，2019年；Prado-León等人，2001年）生成人口水平估計(jì)的基礎(chǔ)。

國家健康與營養(yǎng)調(diào)查（NHANES，美國疾病控制與預(yù)防中心，2019年）是由美國疾病控制與預(yù)防中心的國家健康統(tǒng)計(jì)中心（NCHS）開展的一項(xiàng)針對美國平民人口中各種健康相關(guān)因素的持續(xù)研究。相關(guān)數(shù)據(jù)通常以兩年為一個周期發(fā)布，包括身高、體重和體質(zhì)指數(shù)（BMI）等指標(biāo)，BMI是體重（千克）除以身高（米）的平方得出的指標(biāo)。該研究特別對代表性不足的群體進(jìn)行了超額抽樣，包括0-11歲的兒童和種族或少數(shù)民族（Chen等人，2020年）。然而，在每個兩年周期的樣本中，2至19歲的男孩和女孩數(shù)量分別只有大約1500名，這意味著每個一年齡段的樣本中只有約85名個體。由于樣本量較小，按年齡、種族和族裔進(jìn)行細(xì)分非常困難。為了增加可用樣本數(shù)量，NHANES提供了樣本權(quán)重，使得數(shù)據(jù)可以跨四年或更長時間段合并使用（例如，可以將2015-2016年和2017-2018年的樣本合并，正如本研究所做的那樣）。

NCHS定期發(fā)布基于NHANES數(shù)據(jù)的美國人口整體人體測量特征報(bào)告。2015-2018年樣本的報(bào)告包含了19歲以下男孩和女孩的匯總統(tǒng)計(jì)信息（平均值、均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差和分位數(shù)）（Fryar等人，2021年）。這份報(bào)告對當(dāng)前分析特別有價(jià)值，因?yàn)樗刮覀兡軌蝌?yàn)證所使用的樣本權(quán)重是否符合NCHS的方法。

盡管NHANES數(shù)據(jù)對于評估人口健康和描述整體身體尺寸非常寶貴，但它們在設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用有限。首先，人體測量指標(biāo)（身高、體重和BMI）在整個研究中所占比例較小，因此抽樣策略并未針對這些變量進(jìn)行優(yōu)化。因此，對這些指標(biāo)進(jìn)行的計(jì)算（例如，計(jì)算身高的百分位數(shù)）得出的結(jié)果與預(yù)期的年齡變化趨勢不符。例如，在NHANES 2015-2018年的數(shù)據(jù)中，15-19歲女性的第90百分位數(shù)身高分別為1713毫米、1694毫米、1719毫米、1686毫米和1705毫米（Fryar等人，2021年）。其次，設(shè)計(jì)所需的詳細(xì)測量數(shù)據(jù)（如坐高、肢體段長度和軀干周長）通常不可用。對于少數(shù)包含的測量數(shù)據(jù)（即大腿長度、上臂長度、臂圍和腰圍），其測量方法與人體工程學(xué)和其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用的不同（美國疾病控制與預(yù)防中心，2016年；ISO/T.C. 159/S.C. 3，2017年）。因此，通常只有身高、體重和BMI數(shù)據(jù)具有實(shí)用性——這些數(shù)據(jù)被用作統(tǒng)計(jì)模型的輸入或預(yù)測因子，通過一種稱為“數(shù)據(jù)合成”的過程來估計(jì)詳細(xì)指標(biāo)。最后，NHANES的抽樣方法在計(jì)算人口統(tǒng)計(jì)量（如百分位數(shù)）時需要使用統(tǒng)計(jì)權(quán)重。雖然大多數(shù)統(tǒng)計(jì)軟件包可以將權(quán)重納入估計(jì)值中，但許多從業(yè)者并不熟悉如何使用這些權(quán)重。此外，在人體工程學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)用這些權(quán)重的方法也不成熟。例如，在選擇人體模型或數(shù)字人體模型時，如何應(yīng)用這些權(quán)重并不明顯。

詳細(xì)的人體測量數(shù)據(jù)（如腿長和坐姿髖寬）對于設(shè)計(jì)實(shí)踐至關(guān)重要，尤其是在多變量設(shè)計(jì)中評估設(shè)計(jì)權(quán)衡時（Parkinson和Reed，2020年；Moroney和Smith，1972年）。當(dāng)相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不可用時，可以進(jìn)行相關(guān)研究（例如上述的Snyder研究或YouthShape.US研究）。然而，相關(guān)的成本和物流問題可能會成為障礙。在這種情況下，可以使用數(shù)據(jù)合成來提供所需數(shù)據(jù)的估計(jì)值。

大致來說，合成方法分為兩類：預(yù)測建模和統(tǒng)計(jì)加權(quán)。在預(yù)測建模中，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)集進(jìn)行建模（例如使用回歸），然后利用該模型為新人群提供估計(jì)值。例如，比例常數(shù)（Drillis和Contini，1966年）用于估計(jì)身體各部分長度與身高的比例。當(dāng)這些比例常數(shù)與目標(biāo)用戶群體的身高數(shù)據(jù)結(jié)合時，可以提供設(shè)計(jì)所需的詳細(xì)人體測量數(shù)據(jù)估計(jì)。其他預(yù)測建模方法包括帶有殘差方差的回歸（Nadadur和Parkinson，2008年；Nadadur和Parkinson，2010年；Brolin等人，2017年）、基于分位數(shù)的合成或copula方法（Nadadur等人，2016年；Ackermann等人，2024年）等（Albin，2017年；Albin和Vink，2014年）。在統(tǒng)計(jì)加權(quán)中，為現(xiàn)有的詳細(xì)數(shù)據(jù)集計(jì)算新的統(tǒng)計(jì)權(quán)重（例如Snyder等人，1977年），以便在考慮統(tǒng)計(jì)權(quán)重時分析這些數(shù)據(jù)，從而得到接近目標(biāo)用戶群體的結(jié)果。加權(quán)及重新加權(quán)的例子包括Bonin等人，2023年；Reddie和Parkinson，2022年；Kumar和Parkinson，2018年）。這些方法在外推方面存在挑戰(zhàn)。換句話說，當(dāng)它們所基于的數(shù)據(jù)包含目標(biāo)用戶群體展示的整個值范圍時，效果最佳。因此，大部分?jǐn)?shù)據(jù)來自近50年前，尚未受到時代趨勢的影響，這使得數(shù)據(jù)合成方法面臨挑戰(zhàn)。

這里介紹的工作對這兩種數(shù)據(jù)合成方法都有益處。它能夠生成準(zhǔn)確的身高、體重和BMI估計(jì)值，這些通常是預(yù)測建模方法的輸入。同時，它還生成了一個大型未加權(quán)的人口數(shù)據(jù)集，非常適合對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)或重新加權(quán)。

方法概述

方法

本研究開發(fā)的方法通過為指定數(shù)量的個體（例如500名）在每個年齡和性別上合成身高和BMI來生成一個未加權(quán)的人口數(shù)據(jù)集。體重（質(zhì)量）直接從身高和BMI數(shù)據(jù)計(jì)算得出。選擇身高和BMI作為建模指標(biāo)，因?yàn)樗鼈冎g的相關(guān)性低于其他任何兩個指標(biāo)的組合。

為了生成合成數(shù)據(jù)，我們首先需要為身高和BMI的分布開發(fā)一個參數(shù)模型

結(jié)果與驗(yàn)證

附錄中包含了將NHANES發(fā)布的百分位數(shù)與合成數(shù)據(jù)中的百分位數(shù)進(jìn)行比較的表格。圖10和圖11以圖形方式展示了這些結(jié)果。具體來說，它們比較了NHANES 2015-2018年數(shù)據(jù)（Fryar等人，2021年）的已發(fā)布匯總統(tǒng)計(jì)信息與合成數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)信息。顯示了每個年齡段的第5、25、50、75和95百分位的身高、體重和BMI值。需要注意的是，NHANES（Fryar）的結(jié)果中有些值缺失

討論與結(jié)論

這是一種針對兒童和青少年數(shù)據(jù)合成的新穎方法。除了少數(shù)例外（例如Pagano等人，2015年），之前發(fā)表的人體測量合成方法主要針對成人人群。由于身體尺寸和比例的變化（例如頭部與身體其他部分的比例）以及青春期相關(guān)的變化，兒童和青少年的數(shù)據(jù)合成比成人更為復(fù)雜。

重要的是，平滑策略和參數(shù)方法