能量消耗测量方法及其应用

朱琳 陈佩杰

1 上海体育学院运动科学学院（上海 200438） 2 广州体育学院运动与健康系

目前，超重和肥胖已成为普遍的社会问题，许多研究开始关注总能量消耗（total energy expenditure，TEE）与超重或肥胖发生之间的潜在关系。身体活动能量消耗（physical activity energy expenditure，PAEE）是TEE的最大可变因素。准确测定能量消耗，特别是体力活动的能量消耗，了解某类人群身体活动水平，对有针对性地指导其科学运动和制定膳食推荐标准有重要意义。流行病学研究的关键是准确测试TEE［1］，而直接评估能量消耗有困难。评估能量消耗的“金标准”是双标水法和气体代谢分析法，但二者价格昂贵且不适用某些情况。本文从能量消耗组成的角度，探讨几种与双标水法和气体代谢分析法相关度较高的常用能量消耗测量方法及其应用，为寻找客观、精确、重复性高、可操作性强的能量消耗测量方法提供参考。

1 总能量消耗的组成

研究能量消耗（energy expenditure，EE）先要了解能量消耗的组成。总能量消耗由身体活动能量消耗、基础能量消耗（basal energy expenditure，BEE）和食物特殊动力作用（specific dynamic action，SDA）三部分组成。

1.1 食物特殊动力作用

由摄入食物引起身体热量代谢额外增加的现象，称为食物的特殊动力作用，现称食物热效应，一般约占TEE的10%，对能量消耗有一定程度的影响。SDA是食物消化、吸收和代谢过程中的能耗，其作用与进食总热量无关，而与食物种类有关。进食糖与脂肪对代谢影响较小，大约只是其产热量的4%，持续时间亦仅1小时左右；进食蛋白质对代谢影响较大，可达其产热量的30%，持续时间也较长，有的可达10～12小时。因SDA测试复杂，所以在实际科研中，在膳食平衡的前提下，常用10%TEE 表示［1，2］。

1.2 基础能量消耗和静息能量消耗（rest energy expenditure，REE）

BEE和REE是两个不同概念。BEE指人体在清醒而极端安静状态下，不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等影响时的能量消耗，通常排除食物特殊动力作用，一般在空腹12～24 h，室温18～25℃之间进行，以排除食物和环境温度的干扰，单位时间的基础能量消耗即为基础代谢率（basal metabolic rate，BMR），单位为kJ/d、kJ/（m2•h）、kJ/（kg•h）。REE是指禁食2 h以上，在合适温度下，测试安静平卧或坐位约30 min的人体能量消耗，如按一天（kJ/d）计，则为静息代谢率（rest metabolic rate，RMR）。与BEE相比，REE并非在基础状态下测得，包含了前一餐残余的SDA和维持清醒的状态，一般高出BEE小于10%左右［3］。由于REE对测试环境条件和测量时间（只要条件满足，全天24 h均可进行）的要求较宽松［4］，因此，在总能量消耗测试中，常用公式估算BEE，或用REE代替BEE［3］。有美国学者认为，在实验中，BEE和REE相差小于10%，因此两个概念可以通用［5］。虽然这种作法带来一定偏差，但不失为一种相对方便准确的方法。

1.3 身体活动（physical activity，PA）、体力活动水平（physical activity level，PAL）和PAEE

PA指由骨骼肌收缩产生的、使能量消耗增加的身体动作［1］。PAL作为平均日常体力活动的测量方法［7］，其值是总能量消耗与基础代谢率的比值，即PAL = TEE/BMR［8-10］。由于每天食物特殊动力作用和用于生长的能量消耗占机体总能量的比例及其变化很小，所以PAL主要反映排除BMR后的体力活动能量消耗大小［11］。

体力活动与人体健康密切相关［12］，是影响机体能量消耗的主要因素。由体力活动产生的PAEE是TEE的最大可变成分［1］。研究者通过TEE确定 PAEE，即 PAEE = TEE － REE［1，7］或 PAEE =TEE － BMR － 10%TEE［1，11］。

2 能量消耗测量方法及其应用

2.1 双标水法和TEE

双标水法（doubly labeled water，DLW）最早由Lifson等于1955年提出，是一种非损害及非侵入性技术，早期用于测量研究野生动物野外能量代谢。1982年，Schoeller和Van Santen将其应用于人体研究［13］。其基本测试方法为：给予受试者口服两种稳定无放射性同位素氘（2H）和18氧（18O）标记的水，2H参加H2O代谢；18O参加H2O和CO2代谢。当两种同位素在体内达到平衡后，利用同位素质谱仪，通过测量血液、唾液或尿液（通常收集尿液）中2H和18O的代谢速率常数，得到CO2生成率［14，15］，再结合饮食结构估计呼吸商（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计算每天平均总能量消耗，其中，UN为每天的尿氮量（g/d），rO2指O2的使用量（L/min），rCO2指CO2的产生量（L/min），TEE的单位为kcal/d。

双标水法在无损伤性和不限制日常活动条件下，采用两点或多点法（一般采用多点法）收集样品1～3周测试TEE［16］，适用于测量无法配合实验或无法限制其活动的婴儿、儿童及运动员等的能量代谢［17］。双标水法精确度达93%～98%，准确度达97%～99%，是测定能量消耗的“金标准”［18，19］。不同实验中，针对实验对象年龄和检测仪器的不同，给予双标水中氘（2H）和18氧（18O）的比例和剂量亦不同。有研究者认为未成年人服用剂量要稍高于成人，二者无严格的比例限制，以同位素测试仪器的精确度为准。

双标水法用估算的RQ推测TEE，仍有可能产生约5%的误差［20］。测试过程最好持续记录进食食物，用食物商代替呼吸商。研究证明9岁以上儿童是可以自已完成这项工作的［21］。服用双标水期间要监测体重变化，要求体重不变或少量增加，此时的TEE与能量摄入量相等［1］。考虑双标水法的实验成本和只能测定人体总能量消耗等局限性，将其与其它方法联用，建立预测能量消耗的方程，将是能量消耗测量研究的未来发展趋势［22］。

2.2 能量代谢房（Metabolic Chamber）和EE

能量代谢房是利用开放式间接能量代谢测量原理而特制的一个小房间，供一个人24小时居住。房间是密封的，温度和湿度分别控制在25℃和55%，地面约3.0 m ×3.7 m，容积有27000升、20000升或15000升不等，配有必要的生活用品，如床、椅子、桌子、电视、冰箱、电话和洗手间等设施，实验人员通过一个气闸室为受试者提供食物，同时这个气闸室也是紧急逃生出口。在这个特殊的房间里，可以测量被试吃饭、睡觉和轻体力活动的代谢率。通过微波运动探测器监测在能量代谢房中的被试者的身体活动，通过测量身体释放的热量判断每种活动燃烧了多少热量。研究者通过测量氧消耗量和二氧化碳产生量以及氮排泄量，间接计算能量消耗的比率［23］。

质谱测量仪测量能量代谢房气源中氧和二氧化碳的浓度以及消耗量。每次实验开始时，均用标准混合气和大气校标气体分析器。呼吸速度描记器测量能量代谢房流量的消耗。每次测量前需校标流量计，将流量保持在每分钟 60 L［24］或 90 L［25］。消耗的氧和产生的二氧化碳分别由能量代谢房中进出空气的流量和浓度决定［24］。同样通过Weir方程和氧消耗量、二氧化碳产生量计算能量消耗。酒精燃烧实验结果显示，能量代谢房测量能量消耗的精确性和准确性分别为99.2%±0.7%（超过6小时实验）和99.2%±3.0%（超过30分钟实验）［26］。

国外研究发现，在68个运动项目中，每个项目2～3分钟后均能达到稳态，无论对2～3分钟前能量消耗不断增加的过程，还是2～3分钟后达到稳态时，能量代谢房测量能量消耗均有显著的灵敏性［25］。

能量代谢房可在不干扰被试生活的状态下，全面测试BEE、REE、PAEE等，其测试精确性和准确性也较高。但能量代谢房造价不菲，使用时需每天校标分析器，用新鲜空气设定零值，用预先混合一段时间的气体（20%O2、1%CO2和均衡的氮气）设置获得值；而且需每个月用丙烷燃烧实验法确定一次能量代谢房的总准确度；每次只能容纳一个人测试。因此，能量代谢房并不适合群体研究。

2.3 气体代谢分析法与REE和PAEE

早在16世纪末，Lavoisier等发现了机体产热与气体交换的关系，开创了间接测热法的先河。间接测热法即气体代谢分析法，是最常用的实验室方法，多氏袋法（Douglas bag）是经典方法，可测定特定活动的能量消耗，也可测定REE和BEE［22，27］。

便携式气体代谢分析仪的问世和普及使气体代谢分析法走向户外应用于运动场。Cosmed K4b2（Cosmed，Rome，Italy）是目前较常用的一款新型便携式气体代谢测量设备，它利用遥感技术实时监测受试者呼出气中的耗氧量和二氧化碳生成量，求出呼吸商，根据相应的氧热价，计算单位时间的能量消耗。国外学者研究发现，受试者进行不同速率功率自行车运动时，K4b2测试的重复性和准确性较高，测量的氧气和二氧化碳的流量与新陈代谢车、Douglas袋、四分质谱仪的结果有很强的关联性，差异不显著［28-30］。

便携式气体代谢分析仪有实时性、便携性、准确性等优点［22］。但价格昂贵，采用电池供电，气体分析装置只能连续工作1～5 h［20］，只适合小样本研究。此外，虽然便携式气体分析仪体积比传统气体分析仪小很多，但仍不适合受试者长时间佩戴。这使其难以对日常体力活动进行长时间不间断的测量。总之，间接测热法常作为效标，用于测量不同活动形式的能量代谢，或验证心率监测器、运动传感器等有效性的研究，而在调查一般性日常活动或每周活动方面实用性不强。

2.4 运动加速度传感器和PAEE

Rowlands等研究证实，加速度计通过对身体运动的持续时间和强度的测量，可对身体活动提供客观评估［31］。运动加速度计的原理是根据牛顿力学定律，测量身体加速度绝对值的积分，通过测量身体活动的持续时间和强度评估机体能耗，是一种客观评估身体活动的方法。因感受身体运动方向的不同，分为单轴、双轴和三轴加速度计。

加速度计对体力活动的测量结果以活动计数（activity count，AC）表示，代表了加速度的大小和多少的总和［2］。国内学者刘爱玲［2］和国外学者Ekelund［32］等分别对成年人和儿童的研究显示，CSA（Computer Science ApplicationTM）单轴加速度计获得的AC与双标水法获得的TEE、活动能量消耗（activity energy expenditure，AEE）和PAL有显著联系。ActiGraphTM三轴加速度计已受到众多关注，目前作为很多研究（包括儿童和青少年）的选择。国外早期研究中，学者通过心率监测方法在青春期前儿童身上验证了Tritrac-R3DTM的有效性［33，34］。加速度计使用较方便，可长时间佩戴，但对只有上肢参与的活动、一些静力性活动（乘车）、骑自行车和游泳等不宜使用，有不能测量所有日常体力活动的缺点。

运动加速度计运用预先设定的回归方程，结合佩戴者身高、体重、年龄、性别等信息预测相应的能量消耗。其回归方程的适用人群对测试准确性影响较大。因此，利用运动加速度传感器测定被测人群的能量消耗前，需建立适用于该人群的回归方程。Matthews等［35］在一项使用加速度计测量体力活动并分析其变异来源的研究中指出，中、高强度体力活动变异中的55%～60%来自调查对象的个体间差异，30%～45%来自个体内差异，而工作日与周末（非工作日）的差异可以解释1%～8%体力活动变异。利用既有的、在实验室条件下通过特定活动得到的预测体力活动的能量消耗回归公式，往往增大误差。此外，成年人能量消耗预测的方程［36］不能用于儿童和青少年，因为未考虑RMR的区别［37，38］。

联合了一个或多个生理测量方法和加速度计的更新型运动传感器已开始用于身体活动的测量［39，40］，这些新型的联合装置包括心率和加速度计的联合，加速度计与温度传感器的联合。通过非线性模型技术，结合加速度计与心率和体温等生理参数，可以大幅提高预测日常身体活动能量消耗的准确性［41］。Actiheart （Mini Mitter，Respironics，Bend，OR）是目前仅有的一款整合了单轴加速度计和心电信号测试装置进行同步测量的联合运动传感器，可以测量心电和垂直方向运动的能量消耗，并准确和简便地计算非固定活动的能量消耗。Actiheart由粘贴于胸前的借助于导线相连的一个主传感器和一个辅助传感器组成，还加入标准心电图垫，可同时测量心率和体力活动数据，准确计算活动能量消耗，并已通过双标水法［42］和间接测热法[43]验证。Brage［44］研究证实，Actiheart测量PAEE比单独使用加速度计或心率测量更准确，联合心率监测仪和加速度计可增加评估身体活动的准确性［45］。

SWA（SenseWearTMPro2armband）热流量综合传感器是一种能在实验室外连续监测生理和生活方式数据的无线测试仪器，通常佩戴于右上臂后部，通过双轴加速度计（新一代的SenseWear Pro3 Armband是三轴加速度计）、热流量传感器、皮肤电反应传感器、热敏电阻传感器、接近身体的环境温度传感器等5种非侵入式的计量生物学传感器［46］，收集运动、热流、皮肤温度、环境温度、皮肤电反应的原始数据，结合被试性别、年龄、身高、体重等信息，推算TEE、PAEE、步数、身体活动、睡眠和躺下的持续时间。它可以在无拘束生活的状态下，持续记录受试者14天的生理和生活方式数据；加之便携的特点，使其成为临床和流行病学研究中评估身体活动和能量消耗的一种实用装置［49］。在体育科研中常用于运动员能量消耗的监测［47，48］。SWA测量的有效性在成年人中已得到证实，但对儿童和青少年的研究发现，SWA低估许多活动的能量消耗，而且这种低估随身体活动强度增加而增加，其主要原因是SWA未建立针对青少年儿童的能量消耗估算方程［49］。

2.5 问卷调查法和代谢当量（MET）

问卷调查法是体力活动评估中最普遍、最实用的方法［50］。体力活动问卷种类较多，形式多为日记、日志、活动回忆、定量化回顾、访谈等。目前测试效果较好的是活动日记。

根据1995年CDC（疾病预防控制中心）和ACSM（美国运动医学会）推荐的PA，每次8～10分钟间断的、累计30分钟或更长时间的身体活动有益于健康和体质［51］。例如Bouchard体力活动日记，就是将一天24小时按1440分钟计算，分成96个时间段，每段15分钟，要求被试记录每15分钟的活动内容，进而统计其全天的身体活动量。Bratteby等针对青春期人群，对用7天“身体活动日记（physical activity diary，PAD）”与双标水法获得的TEE、PAL和间接测热法所获得的RMR进行了验证［52］，研究显示这种方法能够提供相似度高的评估。Rush等［53］对29名18～27岁的健康男性用PAD法和双标水法获得的TEE进行了比较分析，发现两者存在相关，相关系数为0.61（95%CL 0.31，0.89 ；P < 0.001）。Conway 等［54］对比了“7日体力活动回顾问卷法“与双标水法，结果表明体力活动问卷能较准确地评估个体TEE，但需良好的个体依从性及严格的督导。与双标水法和间接测热法相比，体力活动日记比较精确地估计能量消耗［54］。国际膳食能量顾问组认为［27］，在无法用同位素法测定自由活动人体总能耗时，建议估算能量消耗量。估算法通过问卷将各种体力活动分为休息、轻体力、中体力、重体力4种类型（每种活动类型都列举了具体的活动项目），每一活动类型赋予活动因子（依次是1、1.5、2.5、6），并根据Schofiel公式（各类活动的耗能量 = BMR×活动因子×活动时间）合计求得全天总能量消耗量，此方法称为要因估算法。

问卷法虽简便易行，但仍存在不足。首先，问卷法采用主观报告形式，常被限制在一定范围的活动种类上，这往往不能准确区分不同强度的活动。其次，年龄对问卷测试的准确性产生影响。在儿童青少年中，问卷的信度会随被试年龄的减小而降低，高年级组问卷的重测信度系数普遍高于低年级组［55］。再次，问卷法通过赋值运动项目将运动时间换算成热量，但未直接反映能量消耗，有一定的误差。

3 研究展望

每种能量消耗的测试方法均有优劣。最佳方案是结合研究对象年龄特点，联用多种测量方法。小样本测试可采用双标水法或间接测量法等；稍大样本测试可采用运动加速度传感器法；超大样本测试则可采用问卷法。无论运动加速度传感器还是问卷法，均需与“金标准”进行方法学比较，以得到适合而准确的预测方程，从而有效测试能量消耗。

目前，各种体力活动能量消耗的测量方法以双标水法和间接测量法为参照，以确定其有效性和可靠性。而间接测量法和DWL法都需精密仪器和训练有素的人员操作，不一定实用。能量消耗的研究中，找到客观、精确、重复性高、可操作性强的能量消耗测量方法的探索将会继续，多传感器联用及应用传感器与采集生理信号相结合的联合传感器将是未来的一个趋势；建立适用于我国人群的能量消耗预测方程势在必行。

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