整合可穿戴温度、活动、黑视素光照与生活日志数据评估自由生活条件下的昼夜节律-行为耦合

《Sensors》：Integrating Wearable Temperature, Activity, Melanopic Light, and Lifelog Data to Assess Circadian–Behavioral Coupling in Free-Living Conditions

　　

昼夜节律-行为错位（circadian–behavioral misalignment）被定义为内部昼夜节律时相与日常睡眠活动行为之间的不匹配，与睡眠质量、日间功能、认知表现和长期健康风险相关。然而，在自由生活条件下整合昼夜节律相关生理标志物与行为和环境传感的实用方法仍然有限。本研究提出了一种多模态可穿戴和生活日志监测流程，该流程结合了基于热通量的可穿戴温度估测传感器、腕戴式活动记录仪（actigraph）、黑视素等效日光照度（melanopic equivalent daylight illuminance, EDI）测量和基于网络的生活日志记录。研究人员对10名健康年轻成年人在日常生活中进行了约一周的监测。提取夜间温度节律下降和上升半幅交叉点之间的时间中点作为昼夜节律相关的温度节律标志物。在与使用可消化胶囊测量的胃肠温度进行的实际比较中，可穿戴设备衍生的节律标志物显示出27.1 ± 16.6分钟的平均绝对差异。两个标志物之间的时间差被定义为相位角（phase angle），并通过相位角变异性和标志物之间的相关性评估耦合稳定性。在排除一名海外旅行参与者后，使用聚类分析和主成分分析（principal component analysis, PCA）可视化探索性的参与者水平昼夜节律-行为耦合差异。与黑视素EDI、活动和生活日志衍生特征的综合分析提示，光照暴露、活动时间和行为时间可能为解释这一小队列中的耦合模式提供背景信息。这些发现支持一种整合生理、行为、环境和生活日志数据的传感系统应用在自由生活条件下对昼夜节律-行为耦合进行探索性评估的可行性，而非开发新的传感器硬件。

人体生理功能受昼夜节律调控，周期约为24小时，涉及睡眠-觉醒、核心体温、激素分泌、代谢、认知等过程。现代社会中，轮班工作、社交时间约束、夜间人造光暴露、睡前电子媒体使用以及不规律的饮食和活动安排，会导致内源性昼夜节律与日常行为节律之间的错位（circadian–behavioral misalignment）。这种错位与睡眠质量下降、日间嗜睡、注意力受损、情绪障碍以及长期代谢和心血管健康风险相关。传统的自由生活节律评估主要依赖活动记录仪（actigraphy），其非侵入且适合长期监测，但活动记录仪主要反映行为节律，不能直接提供内源性昼夜节律相位。核心体温被广泛用做昼夜节律相位的生理指标，但传统测量部位（如食管、直肠）有创且不适合日常长期监测；可消化温度胶囊虽实用，但受胃肠道位置、转运时间、食物和液体摄入等因素影响，不应视为绝对金标准。因此，需要一种能在自由生活条件下同步测量昼夜节律相关生理信号和行为节律的方法，以量化和可视化二者的耦合关系。

研究人员在论文《Sensors》中提出并评估了一种多模态可穿戴与生活日志数据集成流程。该流程将基于热通量的可穿戴温度估测传感器、腕戴式活动记录仪、黑视素等效日光照度（melanopic equivalent daylight illuminance, EDI）测量和基于网页的生活日志记录同步到统一时间轴上，对10名健康年轻成年人进行了约一周的自由生活监测。研究提取夜间温度节律下降与上升半幅交叉点的时间中点作为昼夜节律相关温度节律标志物t_BP，与可消化胶囊测量的胃肠温度标志物进行实际比较，平均绝对差异为27.1 ± 16.6分钟。两个标志物的时间差被定义为相位角（phase angle），并通过相位角变异性和两标志物的相关性评估耦合稳定性。在排除一名海外旅行参与者后，采用层次聚类和主成分分析（principal component analysis, PCA）探索参与者水平的昼夜节律-行为耦合差异。研究表明，该感应系统集成的可行性，其贡献在于传感器系统集成、特征提取和多传感器数据融合，而非开发新的传感器硬件。

关键技术方法方面，研究人员招募了10名健康年轻成年人（8男2女，年龄23.1 ± 1.2岁），在自由生活条件下监测约一周。使用的设备包括：基于热通量的可穿戴核心温度估测传感器（CALERA Research, greenTEG，佩戴于侧胸），腕戴式活动记录仪（ActLumus, Condor Instruments，记录活动和黑视素EDI），以及基于网页的30分钟间隔生活日志应用。作为实用比较器，参与者在监测前吞服e-Celsius Performance Pill（BodyCAP）测量胃肠温度。数据在统一时间轴上进行预处理，排除沐浴和非佩戴时段；温度数据重采样为10分钟平均并采用居中移动平均平滑。睡眠开始和结束时间由Cole–Kripke算法估计，并计算睡眠中点。使用Ward层次聚类和PCA进行探索性分析。样本来自东京科学大学（Institute of Science Tokyo），伦理批准号为2025160。

研究结果部分如下。

**4.1 昼夜节律估计的一致性**：通过对比可穿戴温度传感器与e-Celsius胶囊衍生的t_BP，在8名参与者的10个有效日段中，两者平均绝对差异为27.1 ± 16.6分钟。该结果说明两种温度节律标志物在实际使用中具有可接受的实践一致性，但此差异不能解释为可穿戴传感器相对于真实核心体温的绝对误差。

**4.2 节律相互作用的可视化**：通过绘制每位参与者的t_BP与活动记录仪估计的睡眠中点（tsleep,mid）逐日对应关系，发现大多数参与者的两个标记均集中在早晨时段，而监测期间因海外旅行产生时差暴露的Sub 1显示出更大的离散度。代表性子序列（Sub 4、Sub 7、Sub 8）展示了不同的耦合模式，包括低变异性、大但协调的日间移动，以及两个标记缺乏同向移动倾向。

**4.3 耦合稳定性的量化**：使用标准化耦合特征（包括t_BP和tsleep,mid的圆形标准差、相位角标准差、平均绝对日变化及两者相关系数）进行层次聚类。轮廓系数在k=2时最高，其中Sub 7因其较大的日间变异被分离；探索性k=3解被用于解释异质性：Sub 7表现为高变异但耦合，Sub 2和Sub 8表现为低相关或弱耦合，其余参与者构成相对稳定的主耦合模式。基于耦合特征的PCA显示，PC1主要代表整体节律时间变异，PC2代表相位角不稳定和睡眠-温度相关性降低。整合黑视素EDI、PIM（proportional integration mode）活动和生活日志特征后的PCA显示，PC1主要区分保留耦合与耦合不稳定，并伴随光照暴露、活动时间和行为时间差异；PC2则反映节律时间变异与睡眠期低照度环境之间的对比。

讨论部分指出，该研究验证了在自由生活条件下整合生理、行为、环境和自我报告数据的可行性。将体温节律标志物与睡眠中点结合，能够提供单独活动监测无法获得的生理-行为时间关系信息。但研究也存在局限：样本仅10名健康年轻人，性别比例不平衡，监测期约一周且季节窗口有限；胶囊记录时长因个体排泄时间不同而变化；生活日志为30分钟间隔的自我报告，可能存在回忆偏差；预处理参数未进行敏感性分析。聚类和PCA结果为探索性和假设生成性，不能视为确定性表型分类或因果推断。结论部分强调，可穿戴温度节律标志物与胃肠温度标志物的平均绝对差异为27.1 ± 16.6分钟，表明两种测量方法衍生的节律标志物具有实际一致性，而非对真实核心体温的绝对验证。排除Sub 1后，聚类和PCA提供了参与者水平昼夜节律-行为耦合差异的探索性可视化。整合分析提示，黑视素光照暴露、活动时间和行为时间可能为解释耦合模式提供背景信息。总体而言，研究支持在自由生活条件下整合生理、行为、环境和自我报告数据来评估昼夜节律-行为关系的可行性；主要贡献在于可穿戴传感器集成和多传感器数据融合，而非开发新型传感器硬件。由于队列规模和人口学特征有限，该流程在大规模、纵向或临床应用中仍需更大更多样化的队列和更长期的监测验证。