陳俊飛，湯強(qiáng)，嚴(yán)翊，謝敏豪

現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步和科技的飛速發(fā)展，不斷地改變著人類的生活方式。人們的飲食攝入量不變或增加，而體力活動(dòng)量在迅速減少[1,2]。這種生活方式的改變，與肥胖[3]、代謝綜合征[4,5]、2型糖尿病[6,7]、心血管疾病[8]等慢性非傳染性疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。

便攜式遙測(cè)氣體代謝儀的出現(xiàn)，克服了自由狀態(tài)下的體力活動(dòng)量評(píng)價(jià)難的問題，被廣泛應(yīng)用于體力活動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究，如智能手機(jī)、可穿戴和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用，競(jìng)技體育科研等。但這些設(shè)備測(cè)量是否準(zhǔn)確？特別是其核心指標(biāo)：攝氧量（VO2）、二氧化碳產(chǎn)生量（VCO2）和通氣量（VE）測(cè)量的信度和效度如何？對(duì)于設(shè)備的應(yīng)用范圍及使用限制具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。本文就這些問題進(jìn)行分析，以期為相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考。

1 便攜式遙測(cè)氣體代謝儀的發(fā)展

便攜式遙測(cè)氣體代謝儀是基于間接測(cè)熱法（Indirect Calorimetry）發(fā)展起來的設(shè)備[9]。最初，研究人員用道格拉斯氣袋（Douglas bag），收集受試者經(jīng)過三通單向閥的呼出氣體，每隔一段時(shí)間（30 s或1 min）更換一個(gè)氣袋，整個(gè)測(cè)試過程約需要幾十個(gè)氣袋。氣體收集完成后，使用化學(xué)分析法分析氣袋中的O2和CO2的濃度，以及氣體體積，得出受試者單位時(shí)間內(nèi)O2的消耗量和CO2的生成量，并計(jì)算呼吸商（Respiratory Quotient，RQ）、能量消耗量（Energy Expenditure，EE）等。這就是道格拉斯氣袋法（Dogalas Bag method，DB法），它也被譽(yù)為氣體代謝測(cè)試的“金標(biāo)準(zhǔn)”（gold standard）[10-13]，常被用于評(píng)判新的氣體代謝設(shè)備測(cè)量的效度[14]。

由于DB法測(cè)試整個(gè)過程緩慢而且非常繁瑣，且設(shè)備體積大，難于攜帶，短時(shí)間內(nèi)氣體在多氏袋內(nèi)無法均勻混合，使其應(yīng)用受到限制[15]。20世紀(jì)末，伴隨電子技術(shù)、高速傳感器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，測(cè)試技術(shù)有了大飛躍，人們提出呼出氣的動(dòng)態(tài)混合概念，即混合倉(cāng)（Mixing Chamber）法，在測(cè)試的同時(shí)便可得到了氣體代謝的數(shù)據(jù)?；旌蟼}(cāng)法比較符合道格拉斯氣袋法的基本原理，適用于穩(wěn)態(tài)負(fù)荷的測(cè)試[16]，但由于數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)性能差，反映遲鈍，該方法不適用于短時(shí)間快速精確的測(cè)量。

隨后出現(xiàn)了更為及時(shí)的breath-by-breath方法，即分析每一口呼出氣的VE、O2和CO2濃度，使VO2的測(cè)試成為一個(gè)快速、精確、動(dòng)態(tài)測(cè)試。無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用，使氣體代謝測(cè)試突破了以前測(cè)試只能在跑臺(tái)或功率車上進(jìn)行，它可以測(cè)試自由活動(dòng)狀態(tài)下的氣體代謝狀況，這就是便攜式遙測(cè)氣體代謝儀。目前，市場(chǎng)上常見的設(shè)備有Cosmed K4b2、Metamax 3B/VmaxST、Oxycon Mobile、VO2000等，其參數(shù)如表1所示。

表1 常見便攜式遙測(cè)氣體代謝分析儀基本參數(shù)Table I Basic Parameters of the Common Portable Telemetric Gas Metabolic System

2 常見便攜式遙測(cè)氣體代謝儀測(cè)量的信度和效度

便攜式遙測(cè)氣體代謝儀的出現(xiàn)，使得更為自由活動(dòng)狀態(tài)下的體力活動(dòng)能量消耗量測(cè)試成為現(xiàn)實(shí)。這些便攜式遙測(cè)氣體代謝儀測(cè)量是否準(zhǔn)確，需要對(duì)其核心指標(biāo)——VO2、VCO2和VE的測(cè)量信度和效度進(jìn)行分析。

信度（Reliability）分析反映氣體代謝儀的重復(fù)測(cè)量的一致性，研究往往采用模擬設(shè)備重復(fù)進(jìn)行不同流速的特定氣體交換或采用同一批受試者進(jìn)行不同形式、不同強(qiáng)度的重復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試。效度（Validity）分析對(duì)氣體代謝儀的測(cè)量值與模擬值或“金標(biāo)準(zhǔn)”DB方法測(cè)量值進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)測(cè)量的有效性。常采用相關(guān)分析，Bland-Altman散點(diǎn)分析[17]等，用相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient）r、變異系數(shù)（Coefficient of Variance,CV）、標(biāo)準(zhǔn)誤（Standard Error of Measurement,SEM,或Tipical Error of Measurement,TEM）[18]等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

變異系數(shù)（CV）=重量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差/重復(fù)測(cè)量的均值×100%

2.1 Cosmed K4b2氣體代謝儀測(cè)量的信度和效度

Cosmed K4b2便攜式遙測(cè)氣體代謝儀（意大利，Cosmed公司）是在K4系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種氣體代謝系統(tǒng)。目前，關(guān)于這套系統(tǒng)測(cè)量信度和效度的研究比較多，具體研究情況見表2。

信度方面的研究多集中于安靜狀態(tài)，不同步行和跑步速度，上、下樓梯等。以CV值＜10%[40]，或r＞0.85，或TEM%＜5%做為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)的研究認(rèn)為K4b2在規(guī)律、強(qiáng)度較低的運(yùn)動(dòng)時(shí)有較好的信度，但其在安靜、上樓梯、大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)（1 min沖刺跑）下，重復(fù)測(cè)量的一致性中等。其中，安靜時(shí)可能與其通氣量較小有關(guān)；下樓梯時(shí)重測(cè)信度差，原因可能是未采用定頻節(jié)奏，而是采用自我控制節(jié)奏。建議應(yīng)用K4b2開展其它體力活動(dòng)狀態(tài)下的重復(fù)測(cè)量信度研究。

效度方面的研究較少，僅有步行、跑、功率自行車狀態(tài)下的測(cè)量效度研究，但有限的研究提示，K4b2的VO2的測(cè)量效度尚可，而VCO2在大強(qiáng)度時(shí)可能存在低估的現(xiàn)象，仍需更多氣體代謝儀在大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和不同體力活動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)量效度研究。

表2 Cosmed K4b2氣體代謝儀測(cè)量的信度和效度研究Table II Variability and Validity of the Gas Metabolic System Cosmed K4b2

2.2 Metamax 3B氣體代謝儀測(cè)量的信度和效度

Metamax 3B（德國(guó)，Cortex）是德國(guó)CORTEX Biophysik公司1999年研制的產(chǎn)品，是基于Metalyzer 3B發(fā)展的便攜遙測(cè)氣體代謝儀。2001年時(shí)，該公司為美國(guó)Sensormedics公司生產(chǎn)的Metamax 3B，在市場(chǎng)上的商品名為VmaxST。

對(duì)于這套系統(tǒng)的信度和效度的研究多針對(duì)于VmaxST氣體代謝儀。VmaxST氣體代謝儀與Metamax 3B氣體代謝儀的區(qū)別在于VmaxST氣體代謝儀采用的軟件版本為Metasoft 1.0，而后繼的Metamax 3B氣體代謝儀采用的是更新的軟件版本（新的已到Metasoft 3.9.7）。有關(guān)這套系統(tǒng)信度和效度分析方面的研究較多，具體研究情況見表3。

信度方面的研究多采用模擬氣體交換設(shè)備，以TEM%＜3%[26]為測(cè)量信度高的標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)研究結(jié)果Metamax 3B/VmaxST重復(fù)測(cè)量的一致程度高。而人體進(jìn)行不同速度的步行和跑步時(shí)，CV升高，特別是VCO2的CV超過了10%，提示VmaxST在大強(qiáng)運(yùn)動(dòng)（跑步速度9.65 km/h）時(shí)，其信度略差。未見Metamax 3B人體的重復(fù)測(cè)量信度的研究，建議對(duì)軟件升級(jí)后氣體代謝儀的信度進(jìn)行研究，特別是人體研究。

效度方面的研究，早期版本的VmaxST VCO2的測(cè)量值存在低估現(xiàn)象，而新版本Metamax 3B在進(jìn)行較大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，則存在高估的問題，特別是VCO2的測(cè)量值，這會(huì)造成體力活動(dòng)量被高估或有氧供能比例增加的現(xiàn)象，對(duì)于某一特定運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目能量供應(yīng)特征的研究，可能帶來較大的誤差，因而，在應(yīng)用時(shí)需考慮其準(zhǔn)確的測(cè)試范圍。但由于Metamax 3B具有較好的信度，對(duì)于同一個(gè)體前后的測(cè)量數(shù)據(jù)還是可以進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 Metamax 3B/VmaxST氣體代謝儀核心指標(biāo)測(cè)量的信度和效度研究Table III Variability and Validity of the Core Measurement Indexes of the Gas Metabolic System Metamax 3B/VmaxST

續(xù)表3

2.3 Oxycon Mobile氣體代謝儀測(cè)量的信度和效度

Oxycon Mobile是德國(guó)耶格（Jaeger）公司的產(chǎn)品，其便攜式遙測(cè)氣體代謝儀共有Oxycon Mobile I和II兩代產(chǎn)品。有關(guān)設(shè)備測(cè)量信度和效度的文章較少，未見信度方面研究，但其測(cè)量的穩(wěn)定性較高，在模擬有不同方向風(fēng)、不同低溫高濕[（12±2）℃，（86±7）%；（5±4）℃，（69±16.5）%）條件下]，至少可以穩(wěn)定測(cè)試45 min[31]。

效度方面，Rosdahl H等對(duì)I和II代Oxycon Mobile氣體代謝儀分別與DB法進(jìn)行了的效度分析[32]。結(jié)果顯示，Oxycon Mobile I在次極量強(qiáng)度（40%～60%VO2max）時(shí)，VO2和VCO2分別比DB法高6%～14%和5%～9%，而達(dá)到最大攝氧量時(shí)，Oxycon Mobile I測(cè)量值又比DB法低，VO2和VCO2分別低4.1%和2.8%。Oxycon Mobile II在VE為1～5.5 L/min時(shí)，測(cè)量的準(zhǔn)確性較高，而VCO2比DB法高估了3%～7%。兩代產(chǎn)品的VE在次極量強(qiáng)度時(shí)較為準(zhǔn)確，而在最大攝氧量時(shí)，約低估了4%～8%?？傮w而言，測(cè)量效度II代優(yōu)于I代，但還需要有更多的研究對(duì)其效度進(jìn)行分析。

2.4 VO2000氣體代謝儀測(cè)量的信度和效度

VO2000氣體代謝儀是美國(guó)Medical Graphics的產(chǎn)品，這套系統(tǒng)與Aerosport的VO2000系統(tǒng)為同一系統(tǒng)。關(guān)于這套系統(tǒng)核心測(cè)量指標(biāo)的信度和效度研究很少。

信度方面，Crouter SE等，對(duì)10名成年男性受試者兩次安靜、50 W、100 W、150 W、200 W、250 W的功率自行車實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)10～12 min，研究采用交叉設(shè)計(jì)，先隨機(jī)選擇5名受試者在實(shí)驗(yàn)的前半段用VO2000系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)后半段用DB法進(jìn)行測(cè)試，第二次測(cè)試，將測(cè)試系統(tǒng)反過來進(jìn)行[12]。結(jié)果顯示，VO2000系統(tǒng)VE較為接近，CV在7.3～8.8%；VO2和VCO2的CV為14.2%～15.8%，而DB法的CV為5.3%～6.0%，因而認(rèn)為VO2000系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量信度較DB法差。同樣，若以CV＜10%做為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的話[40]，這套系統(tǒng)的測(cè)量信度和效度不甚理想。

效度方面，Crouter SE等在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，VO2000系統(tǒng)測(cè)得的VE，在50～100 W時(shí)與DB法有顯著性差異（P＜0.05），VO2在安靜和100～250 W時(shí)都高于DB法（P＜0.05），VCO2在安靜和200～250 W時(shí)，與DB法有顯著性差異，該系統(tǒng)測(cè)量效度較差[12]。

3 分析與討論

3.1 便攜式遙測(cè)氣體代謝儀存在的問題

對(duì)常見的幾套便攜式遙測(cè)氣體代謝儀的測(cè)量信度和效度分析，結(jié)果表明，在運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不是特別大時(shí)，這幾套便攜式遙測(cè)氣體代謝儀的核心指標(biāo)VE、VO2、VCO2測(cè)量的信度和效度較好。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，測(cè)量的信度和效度不夠理想。其原因，一方面可能是部分研究設(shè)計(jì)造成的，如：在較大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度階段，運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，運(yùn)動(dòng)未達(dá)到穩(wěn)態(tài)；另一方面，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，呼出氣中的濕度較大，且可能呼出口水，增加了渦輪扇片的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力，導(dǎo)致VE測(cè)量不準(zhǔn)確，進(jìn)而引起VO2、VCO2測(cè)量的誤差。

另外，在采用便攜式氣體代謝儀（也是基于間接測(cè)熱法）去評(píng)價(jià)體力活動(dòng)量時(shí)，需要注意便攜式氣體代謝儀的能量消耗量公式是基于兩個(gè)假設(shè)。第一個(gè)假設(shè)是：呼吸交換率（RER）等同于RQ。當(dāng)進(jìn)行中、低等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體內(nèi)的能源物質(zhì)完全有氧氧化，此時(shí)RER相當(dāng)于RQ。而當(dāng)進(jìn)行較大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)乳酸堆積，血液中H+濃度升高，會(huì)與碳酸氫鹽池中的[HCO3-]中和，釋放CO2，會(huì)使得RER＞RQ，就造成碳水化合物參與供能被高估，脂肪參與供能被低估。因此，Jeukendrup AE等認(rèn)為，當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度＞75%VO2max時(shí)，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性將會(huì)受到質(zhì)疑[33]。另一個(gè)假設(shè)是在機(jī)體的代謝過程中，完全沒有糖異生（乳酸、丙酮酸、甘油等）。實(shí)際上，長(zhǎng)時(shí)間的耐力運(yùn)動(dòng)過程中是會(huì)發(fā)生糖異生的。糖異生過程需要消耗能量，同時(shí)也會(huì)影響RQ，因而會(huì)影響能量消耗量的計(jì)算結(jié)果。

3.2 便攜式遙測(cè)氣體代謝儀測(cè)量注意事項(xiàng)

影響便攜式遙測(cè)氣體代謝儀測(cè)量結(jié)果的因素較多[34]。因而，為了確保這些便攜式遙測(cè)儀獲得準(zhǔn)確有效的測(cè)量數(shù)據(jù)，為避免和減少測(cè)量引起的誤差，測(cè)試時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。（1）實(shí)驗(yàn)前要對(duì)氣壓、流量傳感器、O2和CO2分析器進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)閿z氧量測(cè)量的準(zhǔn)確程度與通氣量和氣體成分測(cè)量的精確性密切相關(guān)；（2）要有正確的設(shè)置和操作；（3）只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，能量消耗量才能準(zhǔn)確確定。通常DB法測(cè)試時(shí)，只收集運(yùn)動(dòng)3～6 min時(shí)的呼出氣進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)榇藭r(shí)氣體交換達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)。

4 小結(jié)

便攜式遙測(cè)氣體代謝儀可以很好地評(píng)價(jià)自由活動(dòng)狀態(tài)下不同體力活動(dòng)的能量消耗量。在使用便攜式遙測(cè)氣體代謝儀時(shí)，應(yīng)注意其核心指標(biāo)測(cè)量的信度和效度。其中，Cosmed K4b2、Metamax 3B和Oxycon Mobile II這3套典型便攜遙測(cè)氣體分析儀的核心指標(biāo)VE、VO2、VCO2的測(cè)量具有較好的信度和效度，特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度低于75%VO2max，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度高于75%VO2max時(shí)，其測(cè)量的信度和效度略差。這些設(shè)備可以應(yīng)用于較為廣泛的體力活動(dòng)評(píng)價(jià)范圍（以有氧代謝為主的體力活動(dòng)）。建議同時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)后即刻的血乳酸，判斷其是否以有氧代謝為主。另外，VO2000便攜式氣體代謝儀VE、VO2、VCO2的測(cè)量信度和效度較差。因而，在實(shí)際的選擇和應(yīng)用中，應(yīng)考慮這些差別。此外，在測(cè)試過程中應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范操作，減少人為造成的測(cè)量誤差。建議多開展大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜體力活動(dòng)模式下設(shè)備測(cè)量的信度和效度研究，以便對(duì)儀器的應(yīng)用范圍有更深刻的了解。

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