基于互联网的虚拟教练促进超重成年人的体育活动坚持:随机对照试验

简介

65%的美国成年人超重，三分之一的人符合肥胖标准。1]，卫生专业人员已被激励制定创新战略，以应对这一流行病。导致肥胖的一个主要原因是身体活动不足。2]，只有四分之一的美国成年人每周进行推荐的运动量[3.］．

激励性指导、个性化反馈、目标设定和耐心教育已经成功地用于带来饮食和活动的长期变化[4，5］．然而，通过传统手段(如与临床医生面对面交流)提供这些组件成本高昂，且难以扩大规模。

新技术已显示出作为有效、可获得和廉价解决方案的前景。计步器是一种可以记录步数的可穿戴设备，每天最多可以增加2000步的活动量。6］．此外，利用因特网向个人传播信息，可使以相对较低的成本提供和广泛传播人口健康干预措施[7-10］．迄今为止，一些基于互联网的干预措施已经证明，通过自我监测、教育和激励性信息的结合，体重有所减轻[11-13］．

这种干预可以通过增加教练来加强，以促进责任感和对锻炼计划的坚持。在辅助性职业中，专业人员-客户关系的质量与结果之间有充分的证据证明存在关联。14］．心理治疗文献将这种工作联盟描述为帮助者和患者作为团队成员在实现预期结果时彼此之间的信任和信念[15，16］．

辅导不需要面对面进行;事实上，正式和非正式的电子教练模式已被证明有利于促进活动和减肥[17，18］．此外，教练不必是人;最近对具身计算机代理使用的研究表明，参与者可以成功地与非人类代理或简单地说，虚拟教练形成工作联盟关系[19］．

在我们的研究中，我们试图了解与仅使用计步器和网站相比，虚拟教练在提高超重或肥胖参与者的活动水平方面的有效性。我们假设，使用虚拟教练会以步数的形式增加他们的活动水平，而不仅仅是使用计步器和网站观察到的效果。

方法

合格标准

参与者年龄在20 - 55岁之间(含);身体质量指数(BMI)在25到35公斤/米之间²(包容);英语听说读写流利;有一个初级保健医生;能够使用一台带有USB接口、扬声器和互联网接入的个人电脑;他们要么对身体活动准备问卷(PAR-Q)上的所有7个问题都回答“不”，要么获得初级保健医生的书面许可参加研究。PAR-Q是一种经过验证的筛查工具，旨在识别有健康问题的成年人，这些问题可能妨碍他们安全地开始锻炼方案[20.］．

设置

在美国马萨诸塞州波士顿市，招聘工作通过当地报纸、当地网站(Craigslist)、医疗机构的广告以及医院电子邮件网络内的广播电子邮件进行。所有的研究访问都在波士顿的麻省总医院进行。

招聘工作于2008年6月开始，历时3周。数据收集和分析于2008年。该研究于2007年7月由马萨诸塞州总医院机构审查委员会审查并批准。该试验已在clinicaltrials.gov上注册(NCT00792207)。

干预措施

在初次访视中，所有潜在参与者均使用齐腰高的站立式减肥秤(Detecto，容量600 × 0.2磅;Cardinal Scale Manufacturing Company, Webb City, MO, USA)和一个机械式壁挂式体育场计，均由马萨诸塞州总医院生物医学工程维护。在确认合格性和同意后，参与者被随机分配到研究的干预组或控制组。

所有参与者都配备了计步器(ActiPed;FitLinxx，诺沃克，CT，美国)，并被要求在12周的研究期间，除了洗澡或睡觉外，一直戴着它。ActiPed设备是一个高度精确的活动监控器，穿在鞋上，它包含一个加速度计，可以跟踪步数。21］．该设备将活动数据无线传输到参与者台式电脑上的USB接收器，然后通过互联网转发到安全计算机服务器上的数据库(图1)．所有参与者都可以访问计步器制造商的密码保护的ActiHealth网站，查看他们一段时间内的活动水平图表，并设定个人目标。

此外，研究干预组的参与者还可以使用虚拟教练，这是一种由电脑制作动画的运动顾问，使用安装在用户家用电脑上的软件运行。虚拟教练完全自动化，遵循算法驱动的脚本，使用模拟面对面对话，包括以患者-提供者健康沟通研究的最佳实践为模型的语言和非语言关系建立行为，目标是建立一个工作联盟[19］．虚拟教练使用的脚本是通过跨学科合作开发的，包括医生、计算机科学家和运动教练，以确保遵守最佳实践。该脚本采用行为和社会认知策略在文献中证明，以促进锻炼行为的改变。这些策略包括目标设定、塑造、自我监控、积极强化、问题解决、教育和社会支持[22，23］．

虚拟教练软件与包含参与者活动数据的数据库集成在一起，可以根据每个参与者对步数目标的坚持情况定制交互。所有的互动都遵循一个结构化的模式，从问候和社交互动开始，接着回顾计步器的步数，反馈和目标设定，活动或饮食的建议，以及对下一次互动日期的承诺，最后以鼓励和告别结束。然而，对话结构、个人话语的格式和内容都是根据每个用户在系统中的进展(例如，他们是否已经超过基线)、他们的当前状态(例如，他们是否实现了短期目标)和话语上下文(例如，他们是否刚刚向虚拟教练提出了一个问题或寻求帮助)量身定制的。因此，在研究的同一时间点，那些没有达到活动目标的人与那些达到目标的人会有不同的互动。用户必须从一系列的答案选项中进行选择，因为该系统不是设计来处理自由文本的回答。

软件模块由开发团队进行了大量测试，随后在部署之前进行了几次端到端干预试点测试。

在整个研究过程中，干预参与者被要求每周与教练会面三次。这些互动每次持续大约5到10分钟。这个为期12周的项目的重点是建立融洽关系和建立基线活动水平，然后是增加活动的技巧，每日个性化的目标设定，以及在研究结束后保持健康饮食和活动水平的建议。

为了确保依从性，并在整个12周的研究期间尽量减少数据丢失，研究人员在没有收到步骤数据或干预组的参与者连续7天没有与虚拟教练交谈时联系参与者。在最后一次访问中，参与者被称重和测量，并被要求完成几项调查。

参与者每次参加研究访问均可获得礼品卡。这项技术是免费提供的，但所有参与者都被要求拥有一台能上网的电脑。

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主要和次要结果

这项研究的主要终点是干预组和控制组之间步数变化的百分比，从研究开始到研究结束。为了评估步数变化的百分比，我们将为期12周的研究分为四个3周的时间段(P1、P2、P3、P4)。次要终点为体重变化、BMI、7天身体活动回忆、身体活动变化阶段、自我效能感、运动益处和障碍，以及对计划的满意度[24-27］．满意度的测量使用了有关活动监视器的新问题和工作联盟清单中的标准化问题的组合，以评估干预参与者与虚拟教练之间的社会纽带强度[16］．

样本大小

这项研究的目的是检测干预组和对照组参与者从P1到P4的步数变化百分比的差异为12。这一数字是在与临床专家进行先验讨论后确定的，并被认为代表了假设基线为每天5000至7000步的临床显著变化。假设标准偏差为16,I型误差水平为0.05，退出率为20%，为了有80%的能力检测这种差异，需要总样本量为70。

随机化

生成随机数(使用Microsoft Excel;微软公司，Redmond, WA, USA)，并以1:1的基础分配控制或干预状态，区块大小为4。密封的、订购的信封由一名研究人员准备，他没有参与参与者登记，包含关于小组分配的信息，只有在参与者同意后才打开。由于干预的性质，研究人员和参与者在研究过程中并没有对分组分配视而不见。

统计分析

我们使用一名学生来比较各组之间的连续结果t检验(对于正态分布结果)和Wilcoxon秩和检验(对于非正态分布结果和秩测度)。采用卡方检验或适当时采用Fisher精确检验比较各组间的比例差异。所有计算都是在SAS 9.1版本(Windows的SAS系统;SAS研究所，卡里，北卡罗来纳州，美国)。我们计算每个3周时间段(时间段)的平均步数，方法是将该时间段内记录的步数总数除以收到数据的天数。记录步数<100的日子被标记为当天的缺失数据，因为这种低活动量更可能反映ActiPed被装在包里或搬到房子里，而不是实际佩戴。一段时间内没有数据的参与者在这段时间内被标记为缺失。该分析只检查了每个时期有数据的参与者，也包括了在一个或多个时期缺少数据点的参与者。一个双向P0.05为有统计学意义。除非另有说明，平均值以平均值(SE)表示。

结果

病人的人口统计

共招募了70名参与者，其中62人(89%)完成了研究。最后一名参与者于2008年9月完成了研究。有关注册详情，请参阅图2．

参与者主要是女性(59/ 70,84%)，白人(53/ 70,76%)，受过大学教育(68/ 70,97%)。详细的基线人口统计信息报告表1．完成研究的人和未完成研究的人在年龄和基线BMI上没有显著差异。

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结果

图3根据组显示每个周期的平均步数。对照组的平均步数从P1的7174显著下降到P4的6149 (P= . 01)。相比之下，干预参与者的平均步数从P1(6943)到P4(分别为6943 vs 7024)没有显著变化。P= .85)。

图4图表显示每个时期相对于时期1的平均活动水平变化百分比，仅包括每个时期有数据的参与者(30名对照组和27名干预组)。P1组和P3组之间的差异有统计学意义(P= .02)，而P1与P2、P1与P4之间的差异不符合显著性标准(P分别= .12和.07)。纳入该图所有数据点的重复测量方差分析表明，在所有研究期间，干预组与控制组的步数变化百分比显著不同(P= .02点)。

我们重复了这一分析，包括那些在一个或多个阶段数据缺失的参与者(例如，所有完成者)。在这项分析中，从P1到P2、P3和P4的变化不显著(P分别= .14，.18和.07)。由于本分析中样本量的变化，不可能对这些数据进行重复测量方差分析。

次要结局指标无统计学意义上的变化。对照组和干预组的BMI平均下降分别为0.04和0.25 (P=无误)

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参与者对协议的遵守情况

在研究过程中，对照组记录步进数据的平均天数为73/84(87%)，干预组为71/84 (85%)(P= .64点)。在研究过程中，干预参与者的平均会话数为28.9(范围为3-63，建议为36)。每周平均访问次数由第1周的2.8次下降至第12周的1.9次，但这一变化在统计上并不显著(P=。08)。在干预过程中，无论是绝对步数增加、绝对步数，还是步数变化的斜率，干预参与者与教练的会话数与他们的表现之间都没有显著的相关性。

参与者福利和满意度

干预组和对照组的参与者都报告说他们从参与研究中受益(分别为28/ 30,93%和28/ 31,90%)。P=正)。干预组和对照组参与者自我报告的变化包括更频繁地锻炼(25/29,86% vs 21/29, 72%，P= .19)，改善饮食和饮食习惯(13/ 29,45% vs 6/ 29,21%，P= .05)。

干预参与者被问及他们与虚拟教练互动的具体问题:18/31(58%)同意教练激励他们变得更积极，27/31(87%)报告说，如果他们错过了与教练的约会，会感到内疚。

讨论

在这项试验中，除了计步器和网站外，为超重参与者提供虚拟教练的访问，似乎可以在12周的研究过程中维持步数，而对照组参与者的步数从开始到结束都在减少。从研究开始到研究结束，干预组和控制组的步数变化百分比没有达到显著性阈值(P= . 07)。然而，重复测量分析发现，在比较对照组和干预组参与者在所有时间点上的步数百分比变化时，存在显著差异(P= .02点)。

这些发现表明，虚拟教练可能是现有的旨在促进活动的自动化应用程序(如计步器和在线Web程序)的有用辅助，并且影响参与者的行为，超过生理监测和基于文本和图表的反馈。虚拟教练提供了一种互动关系，这是仅使用计步器或网站所不具备的。之前的研究表明，参与者可以与计算机代理建立社会联系，即使他们知道代理并不代表真正的人类[14］．我们观察到一些参与者对虚拟教练的反应有些两极化，一些参与者报告了负面情绪，比如内疚、愤怒或沮丧。其中一些情绪实际上可能会促进活动，因为教练充当了外部良心或责任的来源，而另一些情绪可能会削弱关系的有效性。尽管我们无法根据参与者对教练的反应来证明活动的显著差异，但观察到的趋势表明，不满会对教练促进活动增加的能力产生负面影响。进一步调查患者群体中哪些部分对这种形式的自动指导最敏感，将使我们能够最大限度地发挥这种干预的影响。

图4描述了对照组在研究结束时相对于前3周活动的下降。看来，与其比较哪种干预措施在较长时间内增加运动量最大，不如根据干预措施在一段时间内促进持续运动量的程度来衡量。与一般人群一样，研究参与者在开始一项活动方案时可能最有动力;长期保持这种承诺是一项挑战。我们的研究表明，在对照组参与者中观察到的活动下降可以通过12周的虚拟指导来克服。事实上，在研究的最后3周，干预参与者的平均每日步数比对照组参与者高800步左右，尽管这一差异在统计学上并不显著。鉴于计步器已被证明每天可增加约2000步的步数[6]，这表明与单纯计步器相比，虚拟教练可能会额外增加步数。需要更长的研究来评估虚拟教练在较长时间内的有效性。

开发有效的、自动化的自我管理程序，提供一种关系和个性化的反馈，对于开发可扩展的解决方案来应对面临慢性疾病的大量人群可能是至关重要的。随着使用手机和互联网的美国人比例的上升，基于技术的解决方案正变得越来越可行:目前的采用率估计分别为85%和79% [28］．基于互联网的健康行为改变项目在体重管理领域可能比许多其他健康相关领域更有潜力[29]，因为肥胖的人更有可能参与跟踪，因为他们通过互联网采用了一种个人化的、非污名化的方法。基于互联网的体育活动和体重管理项目已被证明能促进行为改变。30.]，特别是在职业健康环境中[31)，但结果并不总是一致的。一项针对军事人员的基于互联网的体重管理干预的随机试验显示，它可以防止体重增加[32］．然而，研究应评估量身定制的建议的质量和适当性。例如，slotmaker等人的研究[33]评估了一项为期3个月的干预措施的可行性和有效性。在这项干预措施中，向办公室职员提供个人活动监测器，并提供简单简明的基于网络的量身定制的体育活动建议。在8个月的随访中，他们观察到体育活动结果没有显著的干预效果。基于互联网的干预措施在帮助人们保持减肥效果方面是否比促进新的减肥方法更有效，这是一个积极探索的领域[34］．

公平获得技术仍然是一个进一步的问题，因为受肥胖影响最大的群体，如少数民族和社会经济地位低的群体，最不可能获得技术。35］．即使是低成本、基于短信的手机干预也显示出积极的短期行为结果[36］．因此，为当地图书馆的电脑提供接入服务，或创建在手机上运行的指导应用程序，可能是弥合这一鸿沟的有效策略。37-39］．

这个应用程序也可能在解决儿童或青少年人口的体重和活动问题方面有价值。这些群体是新技术的狂热用户，可能会接受自动化的基于网络的程序。为了减少这些人群中超重和肥胖的患病率，也可能有必要减少久坐行为的时间，如闲暇时间上网和使用电脑[40］．虽然开发和评估基于互联网的方法的需要已被标记为研究的优先领域，但以前针对这些人群的项目主要集中在学校干预上[41］．

这项研究有几个局限性。我们的研究参与者主要是受过大学教育的白人女性。因此，可能很难将我们的发现推广到更广泛的超重或肥胖患者群体中，他们可能不太愿意在管理自己的健康或使用技术方面发挥更积极的作用。我们无法获得研究参与者的基线步数。然而，我们确实调查了参与者的基线活动水平，并没有发现显著差异。在入组后的前几周观察到的步数可能反映了干预和对照参与者的基线步数的增加。同时，很难将这种干预的结果与其他基于计步器的程序进行比较，因为与许多商用计步器不同，ActiPed不能立即反馈参与者当前的步数。

这项研究的长度为12周:理想情况下，一项活动或减肥计划的好处将在更长的时间内进行评估。如果这项研究要在更长的时间内重复进行，教练算法将需要扩展，以允许更多可变的互动系列来保持参与者的兴趣。我们的一些参与者报告说，即使在12周的时间内，教练也在重复。在更长的时间内进行研究，或有更多的参与者，将允许对高度相关的次要结果指标(如BMI下降)进行更可靠的评估。

最后，如果干预组和对照组的参与者不同意使用计步器或虚拟教练，或者他们遇到了技术困难，研究人员会联系他们。与干预参与者(51个电话)的联系比与对照组参与者(31个电话)的联系更多。这可能反映了干预组使用了两种不同的技术。这种接触上的差异可能在研究过程中对观察到的影响产生了一些影响，但我们认为这可能是次要的，因为接触与步数水平无关。

除了促进活动，虚拟教练还有很多应用。在糖尿病和心脏病等慢性疾病的管理以及在促进健康行为(如坚持服药)方面，教练越来越被认为是一个重要组成部分[42］．鉴于慢性疾病的负担日益加重和提供者短缺[43]，这些应用可能被证明是传统办公室护理的有用补充。通过将家庭监测设备(如体重秤、血压计或血糖仪)的数据与自动化指导程序连接起来，健康从业者可以鼓励患者培养更好的自我管理技能。如果预先定义的触发点被警告，可以提供临床医生的输入。医生在采用信息技术工具方面行动迟缓[44由于对报销、数据过载和临床结果的担忧，因此有必要在现有的工作流程中进行深思熟虑的集成，包括电子病历集成，以确保参与。

医疗保健支付系统的更广泛变化，例如从基于就诊的报销转向基于结果的报销，可能会促进临床医生采用这种类型的护理交付平台。绩效薪酬计划促进了医疗服务提供者围绕医疗服务的创新。在线指导平台可以作为传统护理的辅助手段，也可以作为患者独立的自我管理项目。

结论

在这项研究中，我们证明了在虚拟教练和计步器和网络反馈的情况下，超重参与者的运动水平持续，而在仅提供计步器和网络程序的情况下，则出现了下降。进一步的工作应该研究虚拟教练的长期好处，并将这一应用扩展到更广泛的患者群体。