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Application of multiday 24h-accelerometry in epidemiology to study habitual overall physical activity, activity intensity levels, and their determinants
Jaeschke, Lina
Physical activity (PA) is an established protective lifestyle factor for chronic disease risk. Reliably assessing PA, deriving unbiased PA estimates, and knowing determinants of PA are preconditions for drawing persuasive conclusions on exposure-disease associations in epidemiology and for successfully implementing PA promotion strate-gies. Most of the evidence regarding PA relies on subjective PA assessments, bearing the risk of measurement error. Objectively assessing PA using 24h-accelerometry that requires persons to continuously wear a device measuring accelerations of the body has been introduced in epidemiological studies only recently. The aim of the present thesis was to study the application of 24h-accelerometry in epidemiology to assess habitual overall PA, activity intensity levels, and activity determinants in the general adult population.
First, the reliable assessment of PA using 24h-accelerometry was investigated in an epidemiological study by analyzing variability, number of needed assessment days, and reliability of habitual 24h-accelerometry-based PA. Secondly, to enable determination of unbiased PA estimates, sensitivity and specificity of different algorithms for ac-celerometer non-wear time (NWT) detection in 24h-accelerometry data were examined in two independent epidemiological studies. Finally, potential determinants of habitual time in overall activity and active time spent in different activity intensities were investi-gated in a Germany-wide feasibility study. In all studies, PA was assessed using triaxial 24h-accelerometry over one week to two weeks.
Within-person day-to-day variability was found to be high, accounting for around 60% of the total variance observed in habitual 24h-accelerometry-based overall activity and time in different activity intensities. Neither the day of assessment nor the day of the week substantially explained variability of the PA parameters. Assessing 24h-accelerometry over approximately one week reliably estimated habitual PA. Regarding NWT detection, applying a common algorithm defining NWT as periods of >60 consec-utive minutes of zero-acceleration readings substantially overestimated NWT in 24h-accelerometry due to a low sensitivity and specificity of the algorithm over the total as-sessment time and, especially, during sleeping encompassed in 24h-accelerometry. Generally, NWT detection in 24h-accelerometry was limited, but an algorithm requiring 120 minutes of zero-acceleration readings seemed to be the most suitable approach among those tested. Finally, higher body mass index, having a university entrance qualification, and not being employed were negatively associated with time in overall activity, whereas male sex, higher age, never consuming alcohol, current and former smoking status, and not reporting the net household income were associated with the proportion of time spent in different activity intensities in the general adult population.
Presented information on variability and reliability of 24h-accelerometry-based PA al-lows planning 24h-accelerometry assessment lengths in new epidemiological studies and enables calculation of deattenuated risk estimates from completed studies. Addi-tionally, knowing the suitability of algorithms for NWT detection provides information for evaluating accelerometer wearing compliance to derive unbiased PA estimates from 24h-accelerometry. Finally, biological, behavioral, and economic potential determinants of PA identified in this thesis may help to integrate PA influencing factors in public health PA promotion strategies as well as in data collection and analyses, thus, allowing for meaningful conclusions in epidemiology on 24h-accelerometry-based PA as health-related lifestyle factor.
Körperliche Aktivität (physical activity, PA) ist ein etablierter protektiver Lebensstilfaktor chronischer Erkrankungen. Die reliable Erfassung und unverzerrte Schätzung von PA, sowie die Kenntnis von PA Determinanten sind Voraussetzungen, um überzeugende Schlussfolgerungen über Assoziationen von Exposition und Erkrankung in der Epide-miologie ziehen zu können und um Strategien zu Förderung der PA zu implementieren. Die Mehrheit der Evidenz zu PA beruht auf subjektiven Messungen, die das Risiko von Messfehlern bergen. Die objektive Erfassung der PA durch 24h-Akzelerometrie, für die Personen kontinuierlich ein Gerät zur Messung der Beschleunigung des Körpers tragen, wird erst seit Kurzem in epidemiologischen Studien eingesetzt. Ziel der vorliegenden Dissertation war die Untersuchung der Anwendung der 24h-Akzelerometrie in der Epidemiologie zur Erforschung der habituellen körperlichen Gesamtaktivität, Aktivitäts-intensität und deren Determinanten in der erwachsenen Allgemeinbevölkerung.
Als Erstes wurde die zuverlässige Erfassung der PA durch 24h-Akzelerometrie in einer epidemiologischen Studie untersucht, indem die Variabilität, Anzahl benötigter Unter-suchungstage, sowie Reliabilität der habituellen 24h-Akzelerometrie-basierten PA ana-lysiert wurden. Zweitens wurden Sensitivität und Spezifität verschiedener Algorithmen zu Detektion von Akzelerometer Nicht-Tragezeiten (non-wear time, NWT) in 24h-Akzelerometriedaten in zwei unabhängigen epidemiologischen Studien berechnet, um eine unverzerrte Bestimmung von PA Schätzern zu ermöglichen. Schließlich wurden potentielle Determinanten der habituellen Gesamtaktivitätsdauer sowie der in unter-schiedlichen Aktivitätsintensitäten verbrachten aktiven Zeit in einer deutschlandweiten Machbarkeitsstudie untersucht. In allen Studien wurde PA mittels 24h-Akzelerometrie über eine Woche oder zwei Wochen erhoben.
Es zeigte sich, dass die Tag-zu-Tag Variabilität innerhalb einer Person groß war und etwa 60% der Gesamtvarianz der habituellen 24h-Akzelerometrie-basierten Gesamtak-tivität und Zeit in unterschiedlichen Aktivitätsintensitäten ausmachte. Weder der Unter-suchungstag noch der Wochentag erklärten wesentlich die Variabilität in den PA Pa-rametern. Anwendung der 24h-Akzelerometrie über etwa eine Woche erlaubte eine zuverlässige Schätzung der habituellen PA. Bei der NWT Detektion zeigte sich, dass die Anwendung eines üblicherweise genutzten Algorithmus‘, der NWT als Perioden von >60 konsekutiven Minuten ohne aufgezeichnete Beschleunigung definiert, in der 24h-Akzelerometrie aufgrund einer geringen Sensitivität und Spezifität des Algorithmus‘ über die Gesamtuntersuchungszeit und insbesondere in Schlafphasen, die in 24h-Akzelerometrie enthalten sind, zu einer deutlichen Überschätzung der NWT führt. Grundsätzlich war die NWT Detektion in der 24h-Akzelerometrie limitiert, aber ein Algo-rithmus, der 120 Minuten ohne aufgezeichnete Beschleunigung voraussetzt, erschien als am besten geeigneter Ansatz unter den getesteten. Schließlich waren in der er-wachsenen Allgemeinbevölkerung höherer Body Mass Index, Besitzen der Hochschul-reife und Nicht-Beschäftigung negativ mir der Gesamtaktivitätsdauer assoziiert, wohin-gegen männliches Geschlecht, höheres Alter, kein Alkoholkonsum, aktuelles und früheres Rauchen sowie Nicht-Berichten des Nettohaushaltseinkommens mit dem An-teil der in unterschiedlichen Aktivitätsintensitäten verbrachten Zeit assoziiert waren.
Die vorgelegten Informationen zu Variabilität und Reliabilität der 24h-Akzelerometrie-basierten PA erlauben die Planung der Messdauer der 24h-Akzelerometrie in neuen epidemiologischen Studien und ermöglichen die Berechnung deattenuierter Risiko-schätzer in bereits durchgeführten Studien. Kenntnis über die Eignung von Algorithmen zur NWT Detektion liefert Information zur Beurteilung des Akzelerometer-Trageverhaltens, um unverzerrte PA Schätzer aus der 24h-Akzelerometrie ableiten zu können. Schließlich können die in dieser Dissertation identifizierten biologischen, ver-haltensbedingten und ökonomischen potentiellen PA Determinanten helfen, PA beein-flussende Faktoren in PA Förderstrategien im Bereich Public Health sowie in der Da-tenerhebung und -auswertung einzubeziehen, um aussagekräftige Schlussfolgerungen in der Epidemiologie zu 24h-Akzelerometrie-basierter PA als gesundheitsrelevanten Lebensstilfaktor zu ermöglichen.
