能量代谢实验室建设的必要性分析以及建设管理实践

宁铮美 季师敏 刘 刚

（江苏省体育科学研究所，江苏 南京 210033）

体力活动与健康之间的密切关系从20世纪中期以来就被人们发现和证实，经过半个多世纪的研究和证据的积累，人们对于体力活动与健康之间的关系认识更加充分和深入，各国参照研究结果编写体力活动指南，指导人们开展体力活动改善健康水平，并根据研究进展定期进行更新。随着研究的不断深入，当前对于体力活动水平的测量，更要求准确和客观，在探讨体力活动与健康指标间的关系上，更紧抓实验设计的科学严谨，在这样的前提下，开展相关研究的结果才更具说服力和指导意义[1]。 测量体力活动的方法有很多，包括双标水法、间接测热法（便携式气体分析仪）、体力活动记录仪（心率表、加速度计、计步器等）、调查问卷等 ，这些测量方法易受不确定因素影响，在使用上也存在局限性。而从研究的角度来看，利用能量代谢舱可以快速、准确的评价体力活动，是测量人体能耗的“金标准”[2]。 因此，在体育领域高校和院所，建设和管理以能量代谢舱（ metabolism chamber）为核心的能量代谢实验室， 可以为体育科学工作者开展体力活动与健康相关研究提供有力的硬件支持，是体育科学工作者客观、准确研究人体能量消耗情况的基本条件，对指导群众科学锻炼、改善体质，有重要意义。

1 能量代谢实验室建设背景

1.1 客观研究体力活动测量能量代谢的需要

体力活动具有多维性的特点，同时其涵盖的内容形式十分丰富，因此，体力活动量的准确测量和评价就成为一个很大的困难。而快速、准确、有效的测定体力活动的能量消耗，评价体力活动情况，这是研究的一个难题。双标水法、使用体力活动记录仪等测量方法在应用上都存在自身的适用条件，因此在个案研究中还需要慎重选择。样本量较小的试验性研究需要较为客观和准确性较高的测量方法，测热法和双标水法较多被采用，但考虑研究的经费开销，这类方法难以在大样本量的研究中进行。在流行病学研究中仍主要依赖问卷调查作为主要测量手段[3]。而问卷的设计和应用必须符合人群地域生活文化特征，注意控制问卷的信度和效度，经过质量控制程序后方可大范围使用。小型活动记录仪的大量使用和不断完善，使得体力活动的流行病学研究有了长足发展，特别是加速度计被认为能够较为准确的测量体力活动，当前学者更加建议把加速度计和问卷调查结合在一起，增加研究结果的科学性和合理性[4]。

使用能量代谢舱测量人体能量消耗，是间接测热法的一种，可以准确、客观的记录人体能量消耗情况，并进行分析计算。能量代谢舱是根据研究需要所定制设计建造的一个近似密闭房间，舱内系统收集人体代谢过程的气体，计算气体成分变化和能耗。舱内放置简单的生活设施和运动设施，能够较好的模拟日常生活。便携式气体分析仪在过去是测定体力活动的能量消耗的主要仪器，但发现其在研究测试过程中常会发生不可知的问题，不能够为研究提供准确的能耗数据，因此逐渐将能量代谢舱作为能量代谢测定的“金标准”。人体在数天内体力活动和对应的能量消耗情况，都能够通过能量代谢舱进行测定，准确度高达98%。相较于其它方法，双标水法的硬件和耗材昂贵，数据不够精准，测试过程至少需要3天；进食调查问卷，受受试者主观因素影响较大；便携式气体分析法的仪器价格昂贵，在不稳定的环境条件下定标时间长，还有电池续航因素，使用便携式气体分析仪不可能完成较长时间的能量消耗情况的测量，难以评价体力活动情况；体力活动问卷则受问卷自身质量和受调查者的主观影响较大；心率表法简单易行，价格便宜，但其也受多重因素影响，不够客观，并且长时间的佩戴测试和数据采集也难于开展；运动传感器法的数据类型单一，多种体力活动样式不能够很好区别，并且存在多方向上感知不够准确的问题。

1.2 当前能量代谢研究的需要

Jequier和他的同事建造了世界上第一个能量代谢舱，该舱长3.33米，宽2.45米，高2.39米，有效体积为19000升，使用2层1毫米厚的铝板，其间填充保温材料，构成能量舱的墙体。在温控系统控制下保持舱内温度在24.0±0.5℃。在这之后Chen[5]等和Schoffelen[6]等也建设了能量代谢舱，并从模拟生活和运动的角度加以完善。伴随国外在能量代谢舱领域的大量建设，江苏省体育科学研究所在2008年建设了国内首家能量代谢实验室。

在研究内容上，西方国家研究开展多年，成果丰富，涉及内容众多，而国内使用能量代谢舱进行能量代谢的研究鲜有报道。早在上世纪90年代初，美国等国家就开始用能量代谢舱开展体力活动能量消耗的研究。1993年，Ainsworth等发表了《体力活动概要》，综述了各类体力活动的能量消耗数值，将体力活动分为三级并对活动类型进行了分类和编码。在2000年Ainsworth等又对1993年的概要进行了补充和修订。根据体力活动能量消耗量表就可以确定体力活动的强度和单位时间的总量，这对体力活动的研究有重要意义。通过大量的研究，许多西方国家相继发布了大众开展体力活动推荐量。自1996年美国、加拿大、英国、澳大利亚等国都根据自身国情提出了国民体力活动推荐量。总的来看，Ainsworth等人总结的量表采用的是西方发达国家大量的研究结果，反映的是西方社会人群的日常体力活动状况。此量表的很多内容与中国实际不符，且有很多具有中国特色的体力活动类型并不在其中。而在我国的体力活动相关研究尚在起步阶段，符合中国人群和社会特点的体力活动量表还没有建立，符合中国国情的体力活动推荐量也是空白。

此外，使用能量代谢舱开展研究也不仅仅局限于体力活动情况的研究，鹿琦[2]对国外使用能量代谢舱开展其它类型的研究进行了总结。研究的领域包括对于饮食的研究，不同运动情况的研究，不同人种的能量代谢研究，女性人群的能量代谢特点研究以及非体力活动和低温时的能耗研究这些方面。这也反映出建设能量代谢实验室开展研究的多样性。

2 能量代谢实验室的建设概况

江苏省体育科学研究所建设了国内首家能量代谢实验室——minisun chamber能量代谢实验室。Minisun chamber能量代谢舱的体积为14000L，可容纳1名受试者进行能耗测定，主要技术是利用顺磁式氧气分析仪和红外二氧化碳分析仪进行chamber内的气体浓度测定，再利用特定软件进行分析得到受试者的能耗数据。该舱是由保温隔热的材料建造而成。其内装备有写字台，抽水马桶，恒温系统，特殊照明系统，床垫，无线网络，功率自行车，温度湿度气压监测设备等。舱内温度保持在22±0.2℃。主气泵将舱内气体抽出，这样新鲜空气在负压的吸引下进入到舱内。一台高精度的质量流量计监控总流量，其余4台更加精密的小流量计分别把控参考气体和测试气体的流量。两种气体在经过除湿和恒温后进分别进入到氧气分析仪和二氧化碳分析仪。实际的耗氧量和二氧化碳产生量是由分析仪对进出 chamber的气体成分进行分析后计算得出的。这一结果同时也被气压、流量以及湿度所修正。功率自行车与外部的电脑相连，这样可以记录到运动时的能耗与功率。每10秒记录一次数据，但最终的数据是以间隔1分钟的形式输出。整个能量代谢舱的准确度我们以燃烧17次无水乙醇的方法进行测定，氧气和二氧化碳的实际与理论的比对度高达98%。基于能量代谢舱硬件系统和配套软件构成的能量代谢综合测试系统，可以高精度、长时间的测量体力活动能量消耗值（大于24小时），受试者无需佩戴任何其它仪器，自然的在其中进行体力活动，不受其它影响。比较国内外所建设的各个能量代谢舱，江苏省体育科学研究所建设的Minisun chamber能量代谢舱是世界同等大小能量代谢舱中精度最高的。

3 能量代谢实验室的管理概况

实验室的管理复杂而有难度， Mini sun chamber能量代谢实验室，作为国内首建的能量代谢实验室，没有相关管理经验能够参考，同时实验室能量代谢舱结构复杂，仪器精密，这对仪器的使用和保养都提出了很高的要求。因此，Minisun chamber能量代谢实验室的管理更具挑战。

江苏省体育科学研究所通过多年来学习探索和实践积累，在本所实验与技术服务中心规章制度和工作细则的框架和基础上，进一步完善和细化了能量代谢实验室的管理内容。一方面，建立了能量代谢实验室的工作制度，从九个方面概括的对能量代谢实验室相关工作提出了要求。更重要的一方面是详细编写了minisun chamber能量代谢实验室的操作规程，内容包括：原理概述，技术要求（电路条件，实验室温湿度要求，实验用品要求，实验准备要求），使用操作流程，定标操作流程，注意事项，维护与保养，常见故障类型和排除等。这些内容为能量代谢实验室的顺利运行提供了全方位的保障。而这些操作规程的制定和建立，不仅有实践操作经验的积累，也有经过科学研究所证实的一些方法和手段，如通过对定标方法的研究[7]，提出了能量代谢实验室酒精定标方法，并发表到刊物。

4 能量代谢实验室的应用与展望

使用能量代谢舱开展研究在我国许多领域存在空白。从改善人民群众体质角度来看，在能量代谢实验室开展体力活动相关研究，了解人群体力活动情况，可以为我国制定体力活动推荐量表和居民能量消耗模型提供科学依据，指导人们开展科学锻炼。

从助力竞技体育的角度来看，可以从能量物质代谢水平角度来把握运动员机能状态，指导训练，评定恢复，达到科学化训练的目的。通过实验室检测运动员能量代谢也为运动员选材和训练效果的客观评估的重要参考依据。另外基于能量代谢平衡的角度，对于有控重需求的运动员，可以达到精确测量的效果。

虽然能量代谢实验室可以较为准确的测量能量代谢的相关数据，但是毕竟会受到实验室客观条件限制，受试者的活动情况还会受到一定的影响。能量代谢实验室的建设，除了建设能量代谢舱之外，可以结合多种类型的传感器。全方面捕获数据，精确而方便的计算能量消耗情况。

[1] 王超,陈佩杰.体力活动研究的现状及趋势[J].北京体育大学学报, 2012,35(8):43-49.

[2] 鹿琦,朱晓梅.能量代谢实验室的构建与特色[J].中国组织工程研究, 2012,42:42.

[3] Sallis J F, Saelens B E. Assessment of physical activity by self-report: status, limitations, and future directions[J]. Research quarterly for exercise and sport, 2000,71(2):1-14.

[4] Janz K F. Physical activity in epidemiology: moving from questionnaire to objective measurement[J].Britishjournal of sports medicine, 2006，40（3）：191-192.

[5] Clark-Carter D D, Heyes A D, Howarth C I. The efficiency and walking speed of visually impaired people[J]. Ergonomics, 1986,29(6):779-789.

[6] Schoffelen P F M, Westerterp K R, Saris W H M, etal.A dual-respiration chamber system with automated calibration[J].Journal of Applied Physiology,1997,83(6): 2064-2072.

[7] 鹿琦,朱晓梅.能量代谢实验室酒精定标方法的研究[J].四川解剖学杂志, 2013,21(2): 21-24.