能量消耗測量方法及其應用

朱琳 陳佩杰

1 上海體育學院運動科學學院（上海 200438） 2 廣州體育學院運動與健康系

目前，超重和肥胖已成為普遍的社會問題，許多研究開始關注總能量消耗（total energy expenditure，TEE）與超重或肥胖發生之間的潛在關系。身體活動能量消耗（physical activity energy expenditure，PAEE）是TEE的最大可變因素。準確測定能量消耗，特別是體力活動的能量消耗，了解某類人群身體活動水平，對有針對性地指導其科學運動和制定膳食推薦標準有重要意義。流行病學研究的關鍵是準確測試TEE［1］，而直接評估能量消耗有困難。評估能量消耗的“金標準”是雙標水法和氣體代謝分析法，但二者價格昂貴且不適用某些情況。本文從能量消耗組成的角度，探討幾種與雙標水法和氣體代謝分析法相關度較高的常用能量消耗測量方法及其應用，為尋找客觀、精確、重復性高、可操作性強的能量消耗測量方法提供參考。

1 總能量消耗的組成

研究能量消耗（energy expenditure，EE）先要了解能量消耗的組成。總能量消耗由身體活動能量消耗、基礎能量消耗（basal energy expenditure，BEE）和食物特殊動力作用（specific dynamic action，SDA）三部分組成。

1.1 食物特殊動力作用

由攝入食物引起身體熱量代謝額外增加的現象，稱為食物的特殊動力作用，現稱食物熱效應，一般約占TEE的10%，對能量消耗有一定程度的影響。SDA是食物消化、吸收和代謝過程中的能耗，其作用與進食總熱量無關，而與食物種類有關。進食糖與脂肪對代謝影響較小，大約只是其產熱量的4%，持續時間亦僅1小時左右；進食蛋白質對代謝影響較大，可達其產熱量的30%，持續時間也較長，有的可達10～12小時。因SDA測試復雜，所以在實際科研中，在膳食平衡的前提下，常用10%TEE 表示［1，2］。

1.2 基礎能量消耗和靜息能量消耗（rest energy expenditure，REE）

BEE和REE是兩個不同概念。BEE指人體在清醒而極端安靜狀態下，不受肌肉活動、環境溫度、食物及精神緊張等影響時的能量消耗，通常排除食物特殊動力作用，一般在空腹12～24 h，室溫18～25℃之間進行，以排除食物和環境溫度的干擾，單位時間的基礎能量消耗即為基礎代謝率（basal metabolic rate，BMR），單位為kJ/d、kJ/（m2?h）、kJ/（kg?h）。REE是指禁食2 h以上，在合適溫度下，測試安靜平臥或坐位約30 min的人體能量消耗，如按一天（kJ/d）計，則為靜息代謝率（rest metabolic rate，RMR）。與BEE相比，REE并非在基礎狀態下測得，包含了前一餐殘余的SDA和維持清醒的狀態，一般高出BEE小于10%左右［3］。由于REE對測試環境條件和測量時間（只要條件滿足，全天24 h均可進行）的要求較寬松［4］，因此，在總能量消耗測試中，常用公式估算BEE，或用REE代替BEE［3］。有美國學者認為，在實驗中，BEE和REE相差小于10%，因此兩個概念可以通用［5］。雖然這種作法帶來一定偏差，但不失為一種相對方便準確的方法。

1.3 身體活動（physical activity，PA）、體力活動水平（physical activity level，PAL）和PAEE

PA指由骨骼肌收縮產生的、使能量消耗增加的身體動作［1］。PAL作為平均日常體力活動的測量方法［7］，其值是總能量消耗與基礎代謝率的比值，即PAL = TEE/BMR［8-10］。由于每天食物特殊動力作用和用于生長的能量消耗占機體總能量的比例及其變化很小，所以PAL主要反映排除BMR后的體力活動能量消耗大小［11］。

體力活動與人體健康密切相關［12］，是影響機體能量消耗的主要因素。由體力活動產生的PAEE是TEE的最大可變成分［1］。研究者通過TEE確定 PAEE，即 PAEE = TEE － REE［1，7］或 PAEE =TEE － BMR － 10%TEE［1，11］。

2 能量消耗測量方法及其應用

2.1 雙標水法和TEE

雙標水法（doubly labeled water，DLW）最早由Lifson等于1955年提出，是一種非損害及非侵入性技術，早期用于測量研究野生動物野外能量代謝。1982年，Schoeller和Van Santen將其應用于人體研究［13］。其基本測試方法為：給予受試者口服兩種穩定無放射性同位素氘（2H）和18氧（18O）標記的水，2H參加H2O代謝；18O參加H2O和CO2代謝。當兩種同位素在體內達到平衡后，利用同位素質譜儀，通過測量血液、唾液或尿液（通常收集尿液）中2H和18O的代謝速率常數，得到CO2生成率［14，15］，再結合飲食結構估計呼吸商（respiratory quotient，RQ），求出氧消耗率，采用Weir［14］公式 TEE = 3.941×rO2+1.106×rCO2-2.17×UN或 TEE=3.9×1.0×rO2+1.1×rCO2計算每天平均總能量消耗，其中，UN為每天的尿氮量（g/d），rO2指O2的使用量（L/min），rCO2指CO2的產生量（L/min），TEE的單位為kcal/d。

雙標水法在無損傷性和不限制日常活動條件下，采用兩點或多點法（一般采用多點法）收集樣品1～3周測試TEE［16］，適用于測量無法配合實驗或無法限制其活動的嬰兒、兒童及運動員等的能量代謝［17］。雙標水法精確度達93%～98%，準確度達97%～99%，是測定能量消耗的“金標準”［18，19］。不同實驗中，針對實驗對象年齡和檢測儀器的不同，給予雙標水中氘（2H）和18氧（18O）的比例和劑量亦不同。有研究者認為未成年人服用劑量要稍高于成人，二者無嚴格的比例限制，以同位素測試儀器的精確度為準。

雙標水法用估算的RQ推測TEE，仍有可能產生約5%的誤差［20］。測試過程最好持續記錄進食食物，用食物商代替呼吸商。研究證明9歲以上兒童是可以自已完成這項工作的［21］。服用雙標水期間要監測體重變化，要求體重不變或少量增加，此時的TEE與能量攝入量相等［1］。考慮雙標水法的實驗成本和只能測定人體總能量消耗等局限性，將其與其它方法聯用，建立預測能量消耗的方程，將是能量消耗測量研究的未來發展趨勢［22］。

2.2 能量代謝房（Metabolic Chamber）和EE

能量代謝房是利用開放式間接能量代謝測量原理而特制的一個小房間，供一個人24小時居住。房間是密封的，溫度和濕度分別控制在25℃和55%，地面約3.0 m ×3.7 m，容積有27000升、20000升或15000升不等，配有必要的生活用品，如床、椅子、桌子、電視、冰箱、電話和洗手間等設施，實驗人員通過一個氣閘室為受試者提供食物，同時這個氣閘室也是緊急逃生出口。在這個特殊的房間里，可以測量被試吃飯、睡覺和輕體力活動的代謝率。通過微波運動探測器監測在能量代謝房中的被試者的身體活動，通過測量身體釋放的熱量判斷每種活動燃燒了多少熱量。研究者通過測量氧消耗量和二氧化碳產生量以及氮排泄量，間接計算能量消耗的比率［23］。

質譜測量儀測量能量代謝房氣源中氧和二氧化碳的濃度以及消耗量。每次實驗開始時，均用標準混合氣和大氣校標氣體分析器。呼吸速度描記器測量能量代謝房流量的消耗。每次測量前需校標流量計，將流量保持在每分鐘 60 L［24］或 90 L［25］。消耗的氧和產生的二氧化碳分別由能量代謝房中進出空氣的流量和濃度決定［24］。同樣通過Weir方程和氧消耗量、二氧化碳產生量計算能量消耗。酒精燃燒實驗結果顯示，能量代謝房測量能量消耗的精確性和準確性分別為99.2%±0.7%（超過6小時實驗）和99.2%±3.0%（超過30分鐘實驗）［26］。

國外研究發現，在68個運動項目中，每個項目2～3分鐘后均能達到穩態，無論對2～3分鐘前能量消耗不斷增加的過程，還是2～3分鐘后達到穩態時，能量代謝房測量能量消耗均有顯著的靈敏性［25］。

能量代謝房可在不干擾被試生活的狀態下，全面測試BEE、REE、PAEE等，其測試精確性和準確性也較高。但能量代謝房造價不菲，使用時需每天校標分析器，用新鮮空氣設定零值，用預先混合一段時間的氣體（20%O2、1%CO2和均衡的氮氣）設置獲得值；而且需每個月用丙烷燃燒實驗法確定一次能量代謝房的總準確度；每次只能容納一個人測試。因此，能量代謝房并不適合群體研究。

2.3 氣體代謝分析法與REE和PAEE

早在16世紀末，Lavoisier等發現了機體產熱與氣體交換的關系，開創了間接測熱法的先河。間接測熱法即氣體代謝分析法，是最常用的實驗室方法，多氏袋法（Douglas bag）是經典方法，可測定特定活動的能量消耗，也可測定REE和BEE［22，27］。

便攜式氣體代謝分析儀的問世和普及使氣體代謝分析法走向戶外應用于運動場。Cosmed K4b2（Cosmed，Rome，Italy）是目前較常用的一款新型便攜式氣體代謝測量設備，它利用遙感技術實時監測受試者呼出氣中的耗氧量和二氧化碳生成量，求出呼吸商，根據相應的氧熱價，計算單位時間的能量消耗。國外學者研究發現，受試者進行不同速率功率自行車運動時，K4b2測試的重復性和準確性較高，測量的氧氣和二氧化碳的流量與新陳代謝車、Douglas袋、四分質譜儀的結果有很強的關聯性，差異不顯著［28-30］。

便攜式氣體代謝分析儀有實時性、便攜性、準確性等優點［22］。但價格昂貴，采用電池供電，氣體分析裝置只能連續工作1～5 h［20］，只適合小樣本研究。此外，雖然便攜式氣體分析儀體積比傳統氣體分析儀小很多，但仍不適合受試者長時間佩戴。這使其難以對日常體力活動進行長時間不間斷的測量。總之，間接測熱法常作為效標，用于測量不同活動形式的能量代謝，或驗證心率監測器、運動傳感器等有效性的研究，而在調查一般性日常活動或每周活動方面實用性不強。

2.4 運動加速度傳感器和PAEE

Rowlands等研究證實，加速度計通過對身體運動的持續時間和強度的測量，可對身體活動提供客觀評估［31］。運動加速度計的原理是根據牛頓力學定律，測量身體加速度絕對值的積分，通過測量身體活動的持續時間和強度評估機體能耗，是一種客觀評估身體活動的方法。因感受身體運動方向的不同，分為單軸、雙軸和三軸加速度計。

加速度計對體力活動的測量結果以活動計數（activity count，AC）表示，代表了加速度的大小和多少的總和［2］。國內學者劉愛玲［2］和國外學者Ekelund［32］等分別對成年人和兒童的研究顯示，CSA（Computer Science ApplicationTM）單軸加速度計獲得的AC與雙標水法獲得的TEE、活動能量消耗（activity energy expenditure，AEE）和PAL有顯著聯系。ActiGraphTM三軸加速度計已受到眾多關注，目前作為很多研究（包括兒童和青少年）的選擇。國外早期研究中，學者通過心率監測方法在青春期前兒童身上驗證了Tritrac-R3DTM的有效性［33，34］。加速度計使用較方便，可長時間佩戴，但對只有上肢參與的活動、一些靜力性活動（乘車）、騎自行車和游泳等不宜使用，有不能測量所有日常體力活動的缺點。

運動加速度計運用預先設定的回歸方程，結合佩戴者身高、體重、年齡、性別等信息預測相應的能量消耗。其回歸方程的適用人群對測試準確性影響較大。因此，利用運動加速度傳感器測定被測人群的能量消耗前，需建立適用于該人群的回歸方程。Matthews等［35］在一項使用加速度計測量體力活動并分析其變異來源的研究中指出，中、高強度體力活動變異中的55%～60%來自調查對象的個體間差異，30%～45%來自個體內差異，而工作日與周末（非工作日）的差異可以解釋1%～8%體力活動變異。利用既有的、在實驗室條件下通過特定活動得到的預測體力活動的能量消耗回歸公式，往往增大誤差。此外，成年人能量消耗預測的方程［36］不能用于兒童和青少年，因為未考慮RMR的區別［37，38］。

聯合了一個或多個生理測量方法和加速度計的更新型運動傳感器已開始用于身體活動的測量［39，40］，這些新型的聯合裝置包括心率和加速度計的聯合，加速度計與溫度傳感器的聯合。通過非線性模型技術，結合加速度計與心率和體溫等生理參數，可以大幅提高預測日常身體活動能量消耗的準確性［41］。Actiheart （Mini Mitter，Respironics，Bend，OR）是目前僅有的一款整合了單軸加速度計和心電信號測試裝置進行同步測量的聯合運動傳感器，可以測量心電和垂直方向運動的能量消耗，并準確和簡便地計算非固定活動的能量消耗。Actiheart由粘貼于胸前的借助于導線相連的一個主傳感器和一個輔助傳感器組成，還加入標準心電圖墊，可同時測量心率和體力活動數據，準確計算活動能量消耗，并已通過雙標水法［42］和間接測熱法[43]驗證。Brage［44］研究證實，Actiheart測量PAEE比單獨使用加速度計或心率測量更準確，聯合心率監測儀和加速度計可增加評估身體活動的準確性［45］。

SWA（SenseWearTMPro2armband）熱流量綜合傳感器是一種能在實驗室外連續監測生理和生活方式數據的無線測試儀器，通常佩戴于右上臂后部，通過雙軸加速度計（新一代的SenseWear Pro3 Armband是三軸加速度計）、熱流量傳感器、皮膚電反應傳感器、熱敏電阻傳感器、接近身體的環境溫度傳感器等5種非侵入式的計量生物學傳感器［46］，收集運動、熱流、皮膚溫度、環境溫度、皮膚電反應的原始數據，結合被試性別、年齡、身高、體重等信息，推算TEE、PAEE、步數、身體活動、睡眠和躺下的持續時間。它可以在無拘束生活的狀態下，持續記錄受試者14天的生理和生活方式數據；加之便攜的特點，使其成為臨床和流行病學研究中評估身體活動和能量消耗的一種實用裝置［49］。在體育科研中常用于運動員能量消耗的監測［47，48］。SWA測量的有效性在成年人中已得到證實，但對兒童和青少年的研究發現，SWA低估許多活動的能量消耗，而且這種低估隨身體活動強度增加而增加，其主要原因是SWA未建立針對青少年兒童的能量消耗估算方程［49］。

2.5 問卷調查法和代謝當量（MET）

問卷調查法是體力活動評估中最普遍、最實用的方法［50］。體力活動問卷種類較多，形式多為日記、日志、活動回憶、定量化回顧、訪談等。目前測試效果較好的是活動日記。

根據1995年CDC（疾病預防控制中心）和ACSM（美國運動醫學會）推薦的PA，每次8～10分鐘間斷的、累計30分鐘或更長時間的身體活動有益于健康和體質［51］。例如Bouchard體力活動日記，就是將一天24小時按1440分鐘計算，分成96個時間段，每段15分鐘，要求被試記錄每15分鐘的活動內容，進而統計其全天的身體活動量。Bratteby等針對青春期人群，對用7天“身體活動日記（physical activity diary，PAD）”與雙標水法獲得的TEE、PAL和間接測熱法所獲得的RMR進行了驗證［52］，研究顯示這種方法能夠提供相似度高的評估。Rush等［53］對29名18～27歲的健康男性用PAD法和雙標水法獲得的TEE進行了比較分析，發現兩者存在相關，相關系數為0.61（95%CL 0.31，0.89 ；P < 0.001）。Conway 等［54］對比了“7日體力活動回顧問卷法“與雙標水法，結果表明體力活動問卷能較準確地評估個體TEE，但需良好的個體依從性及嚴格的督導。與雙標水法和間接測熱法相比，體力活動日記比較精確地估計能量消耗［54］。國際膳食能量顧問組認為［27］，在無法用同位素法測定自由活動人體總能耗時，建議估算能量消耗量。估算法通過問卷將各種體力活動分為休息、輕體力、中體力、重體力4種類型（每種活動類型都列舉了具體的活動項目），每一活動類型賦予活動因子（依次是1、1.5、2.5、6），并根據Schofiel公式（各類活動的耗能量 = BMR×活動因子×活動時間）合計求得全天總能量消耗量，此方法稱為要因估算法。

問卷法雖簡便易行，但仍存在不足。首先，問卷法采用主觀報告形式，常被限制在一定范圍的活動種類上，這往往不能準確區分不同強度的活動。其次，年齡對問卷測試的準確性產生影響。在兒童青少年中，問卷的信度會隨被試年齡的減小而降低，高年級組問卷的重測信度系數普遍高于低年級組［55］。再次，問卷法通過賦值運動項目將運動時間換算成熱量，但未直接反映能量消耗，有一定的誤差。

3 研究展望

每種能量消耗的測試方法均有優劣。最佳方案是結合研究對象年齡特點，聯用多種測量方法。小樣本測試可采用雙標水法或間接測量法等；稍大樣本測試可采用運動加速度傳感器法；超大樣本測試則可采用問卷法。無論運動加速度傳感器還是問卷法，均需與“金標準”進行方法學比較，以得到適合而準確的預測方程，從而有效測試能量消耗。

目前，各種體力活動能量消耗的測量方法以雙標水法和間接測量法為參照，以確定其有效性和可靠性。而間接測量法和DWL法都需精密儀器和訓練有素的人員操作，不一定實用。能量消耗的研究中，找到客觀、精確、重復性高、可操作性強的能量消耗測量方法的探索將會繼續，多傳感器聯用及應用傳感器與采集生理信號相結合的聯合傳感器將是未來的一個趨勢；建立適用于我國人群的能量消耗預測方程勢在必行。

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