能量代謝測(cè)量技術(shù)—人體能量代謝測(cè)量

瀏覽次數(shù)：2984　發(fā)布日期：2020-4-29　來(lái)源：北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司

眾所周知，人體能量代謝率監(jiān)測(cè)是研究人體新陳代謝與健康醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要方面，而且影響代謝率測(cè)量效果的因素非常多。盡管市面上有大量的能量代謝儀，但對(duì)科研工作者來(lái)說(shuō)，普遍存在分辨率低、系統(tǒng)誤差高、儀器硬件或軟件透明性、兼容性差等問(wèn)題，因而難以滿足人體這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中非常細(xì)微的能量消耗、能量投入（Cost of energy）等代謝監(jiān)測(cè)。

SSI高分辨率能量代謝測(cè)量技術(shù)可以監(jiān)測(cè)耗氧量VO₂、二氧化碳排出量VCO₂、耗氧量VO₂max、厭氧閥值（AT）、凈能消耗（NMR）、靜息代謝率（RMR）、移動(dòng)能量投入（COT）等多項(xiàng)指標(biāo)，以及靈活組合搭配各類系統(tǒng)模塊（如高壓氧、海拔模擬、重力模擬、活動(dòng)監(jiān)測(cè)等），可與其它系統(tǒng)（如熱成像、光譜成像、運(yùn)動(dòng)視頻分析等）進(jìn)行大數(shù)據(jù)交互處理分析，廣泛應(yīng)用于環(huán)境醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)與臨床研究、康復(fù)及健身的評(píng)估、營(yíng)養(yǎng)干預(yù)、老年醫(yī)學(xué)、慢性病研究等多個(gè)領(lǐng)域。

典型案例1

Four-week cold acclimation in adult humans shifts uncoupling thermogenesis from skeletal muscles to brown adipose tissue[J]. Daoud, Amani, Harper, et al. Journal of Physiology, 2017.

加拿大謝爾布魯克大學(xué)醫(yī)院研究中心醫(yī)學(xué)系、加拿大渥太華大學(xué)健康科學(xué)學(xué)院、渥太華蒙福醫(yī)院研究所等單位研究認(rèn)為，人類急性寒冷暴露期間的肌肉熱發(fā)生不僅僅限于顫抖，還包括質(zhì)子泄漏的冷誘導(dǎo)增加。肌肉氧化磷酸化的效率隨著冷適應(yīng)而提高，這表明減少質(zhì)子泄漏可減少肌肉熱生成。此外，隨著B(niǎo)AT容量和活性的增加，顫抖強(qiáng)度降低。這些變化發(fā)生在全身熱生成中沒(méi)有凈差異。文中實(shí)驗(yàn)采用一種可持久進(jìn)行的帶水汽稀釋校正的間接熱量測(cè)量系統(tǒng)（SSI面罩式能量代謝）測(cè)量各代謝參數(shù)，并應(yīng)用性的背景基線技術(shù)校正分析儀的漂移，得到人體蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪的氧化速率。

顫抖強(qiáng)度與人體代謝產(chǎn)熱之間的關(guān)系

類似的研究，Shivering modulation in humans: Effects of rapid changes in environmental temperature[J]. Imbeault, Marie-Andrée, Mantha, Olivier L et al., Journal of Thermal Biology, 2013, 38(8):582-587.

在寒冷暴露期間，熱產(chǎn)量的增加是通過(guò)激活顫抖的熱發(fā)生和無(wú)顫抖熱發(fā)生而產(chǎn)生的，前者是非適應(yīng)性人類補(bǔ)償熱產(chǎn)生的主要因素。在大鼠身上，已經(jīng)證明顫抖的熱發(fā)生完全由皮膚熱受體調(diào)節(jié)，但這種調(diào)制尚未在人類身上研究。

加拿大渥太華大學(xué)健康科學(xué)學(xué)院科研人員利用SSI高分辨率人體能量代謝測(cè)量技術(shù)，以及使用液體空調(diào)服，讓6名未適應(yīng)的男性暴露于寒冷（6℃）中30分鐘，每個(gè)男性分開(kāi)熱暴露（33℃）15分鐘。在整個(gè)暴露過(guò)程中，核心溫度保持穩(wěn)定，而與基線相比，連續(xù)冷熱暴露期間皮膚溫度平均顯著下降12%。在6℃暴露期間，抖動(dòng)強(qiáng)度和代謝率顯著增加。重要的是，在33℃的接觸中，盡管皮膚溫度通常保持在基線值以下，但顫抖可以迅速而強(qiáng)烈地受到抑制。

人體能量代謝與核心體溫、體表溫度、顫抖強(qiáng)度的相互關(guān)系

典型案例2

Energy cost of ambulation in trans-tibial amputees using a dynamic-response foot with hydraulic versus rigid ‘ankle’: insights from body centre of mass dynamics[J]. Askew, Graham N, McFarlane, Laura A, Minetti, et al, Journal of Neuroengineering & Rehabilitation, 2019, 16(1).

運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)中的不對(duì)稱可能需要更高的代謝成本維持運(yùn)動(dòng)。降低運(yùn)動(dòng)代謝成本和步態(tài)對(duì)稱性一直是，而且仍然是假肢設(shè)計(jì)發(fā)展的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)�？梢哉f(shuō)，重要的假肢開(kāi)發(fā)是引入動(dòng)態(tài)反應(yīng)腳（DRF）：有時(shí)被稱為“能量?jī)?chǔ)存和提供”智能足具。

英國(guó)利茲大學(xué)生物醫(yī)學(xué)學(xué)院、意大利米蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)和移植系、英國(guó)布拉德福德大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系等單位利用SSI能量代謝測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)佩戴假肢參與者的靜息氧氣消耗和二氧化碳產(chǎn)量，以及不同行走速度、不同姿勢(shì)角度的代謝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的呼吸交換比率（RER）均小于1，表示有氧代謝，并用來(lái)評(píng)估人體移動(dòng)的能量投入成本，得到人體運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、站立能量代謝率，以及人體運(yùn)動(dòng)的靜能值和比率。

研究結(jié)果表明，使用含有小型被動(dòng)液壓腳踝裝置的DRF將改善代謝能量消耗和運(yùn)動(dòng)學(xué)，因此應(yīng)能為單側(cè)脛骨截肢患者的日常運(yùn)動(dòng)提供臨床上的科學(xué)指導(dǎo)，尤其是那些需要以各種速度和不同地形行走的人。

人體足部安裝腳踝在不同速率和不同角度移動(dòng)下的能量代謝投入成本

典型案例3

Effects of stride frequency and foot position at landing on braking force, hip torque, impact peak force and the bolic cost of running in humans[J]. Lieberman D E , Warrener A G , Wang J , et al. Journal of Experimental Biology, 2015, 218(21):3406-3414.

美國(guó)哈佛大學(xué)人類進(jìn)化生物學(xué)系科研人員利用SSI能量代謝測(cè)量技術(shù)在一個(gè)溫度和濕度恒定的密閉房間內(nèi)測(cè)量14個(gè)年齡從19歲到48歲的男女個(gè)體不同步頻的運(yùn)動(dòng)能量成本。系統(tǒng)設(shè)置100 Hz測(cè)量氧氣分壓，根據(jù)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)曲線得到靜息站立代謝率、靜氧氣消耗量Net V̇O₂、移動(dòng)能量投入（Cost of transport，COT, ml O2 kg^-1 m^-1）等多個(gè)代謝參數(shù)。

研究結(jié)果表明，跑步者可能受益于大約85步/分鐘步幅頻率，并且在擺動(dòng)階段結(jié)束時(shí)以相對(duì)垂直的脛骨狀態(tài)著陸。這種頻率不僅最小化能量消耗成本，而且影響運(yùn)動(dòng)學(xué)的方式可能與某些傷害有關(guān)。

步幅頻率變化對(duì)移動(dòng)能量投入的影響（A）測(cè)量步幅頻率（SF）和 COT（r=0.93， P=0.02）之間有U形關(guān)系；（B）根據(jù)測(cè)量的 SF（r=0.97， P<0.0001）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化制動(dòng)脈沖的受試者平均值的回歸，以及針對(duì)測(cè)量 SF的標(biāo)準(zhǔn)化 MHFM（r=0.98， P<0.0001）。（C）所有受試者的預(yù)測(cè)與觀察到的代謝幅頻率（OSF）。

典型案例4

Greater energy demand of exercise during pregnancy does not impact mechanical efficiency，Denize K M, Akbari P, da Silva D F, et al. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism, 2019.

美國(guó)婦產(chǎn)科學(xué)院和加拿大的婦產(chǎn)科醫(yī)生協(xié)會(huì)發(fā)表了孕婦活動(dòng)指南，建議孕婦進(jìn)行150分鐘中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)以減少妊娠并發(fā)癥，有利于母體和嬰兒的健康。然而懷孕（嬰兒作為特殊負(fù)重）是如何影響孕婦的能量投入、活動(dòng)體能和機(jī)械效率的卻了解很少。該研究通過(guò)FMS便攜式能量代謝儀來(lái)定量化不同運(yùn)動(dòng)程序的能量消耗和機(jī)械效率。

上圖左為對(duì)照個(gè)體、孕早期、孕中期、孕后期的靜息能量消耗比較，上圖右對(duì)照個(gè)體、孕早期、孕中期、孕后期個(gè)體在21分鐘標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)后的活動(dòng)能量消耗情況。表明結(jié)果有顯著性差異。
本研究創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)，1）孕期運(yùn)動(dòng)時(shí)間的能量需求與體重增加成正比；2）在低到中等強(qiáng)度的步行過(guò)程中機(jī)械效率保持不變。

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