能量代謝實驗室建設的必要性分析以及建設管理實踐

寧錚美 季師敏 劉 剛

（江蘇省體育科學研究所，江蘇 南京 210033）

體力活動與健康之間的密切關系從20世紀中期以來就被人們發現和證實，經過半個多世紀的研究和證據的積累，人們對于體力活動與健康之間的關系認識更加充分和深入，各國參照研究結果編寫體力活動指南，指導人們開展體力活動改善健康水平，并根據研究進展定期進行更新。隨著研究的不斷深入，當前對于體力活動水平的測量，更要求準確和客觀，在探討體力活動與健康指標間的關系上，更緊抓實驗設計的科學嚴謹，在這樣的前提下，開展相關研究的結果才更具說服力和指導意義[1]。 測量體力活動的方法有很多，包括雙標水法、間接測熱法（便攜式氣體分析儀）、體力活動記錄儀（心率表、加速度計、計步器等）、調查問卷等 ，這些測量方法易受不確定因素影響，在使用上也存在局限性。而從研究的角度來看，利用能量代謝艙可以快速、準確的評價體力活動，是測量人體能耗的“金標準”[2]。 因此，在體育領域高校和院所，建設和管理以能量代謝艙（ metabolism chamber）為核心的能量代謝實驗室， 可以為體育科學工作者開展體力活動與健康相關研究提供有力的硬件支持，是體育科學工作者客觀、準確研究人體能量消耗情況的基本條件，對指導群眾科學鍛煉、改善體質，有重要意義。

1 能量代謝實驗室建設背景

1.1 客觀研究體力活動測量能量代謝的需要

體力活動具有多維性的特點，同時其涵蓋的內容形式十分豐富，因此，體力活動量的準確測量和評價就成為一個很大的困難。而快速、準確、有效的測定體力活動的能量消耗，評價體力活動情況，這是研究的一個難題。雙標水法、使用體力活動記錄儀等測量方法在應用上都存在自身的適用條件，因此在個案研究中還需要慎重選擇。樣本量較小的試驗性研究需要較為客觀和準確性較高的測量方法，測熱法和雙標水法較多被采用，但考慮研究的經費開銷，這類方法難以在大樣本量的研究中進行。在流行病學研究中仍主要依賴問卷調查作為主要測量手段[3]。而問卷的設計和應用必須符合人群地域生活文化特征，注意控制問卷的信度和效度，經過質量控制程序后方可大范圍使用。小型活動記錄儀的大量使用和不斷完善，使得體力活動的流行病學研究有了長足發展，特別是加速度計被認為能夠較為準確的測量體力活動，當前學者更加建議把加速度計和問卷調查結合在一起，增加研究結果的科學性和合理性[4]。

使用能量代謝艙測量人體能量消耗，是間接測熱法的一種，可以準確、客觀的記錄人體能量消耗情況，并進行分析計算。能量代謝艙是根據研究需要所定制設計建造的一個近似密閉房間，艙內系統收集人體代謝過程的氣體，計算氣體成分變化和能耗。艙內放置簡單的生活設施和運動設施，能夠較好的模擬日常生活。便攜式氣體分析儀在過去是測定體力活動的能量消耗的主要儀器，但發現其在研究測試過程中常會發生不可知的問題，不能夠為研究提供準確的能耗數據，因此逐漸將能量代謝艙作為能量代謝測定的“金標準”。人體在數天內體力活動和對應的能量消耗情況，都能夠通過能量代謝艙進行測定，準確度高達98%。相較于其它方法，雙標水法的硬件和耗材昂貴，數據不夠精準，測試過程至少需要3天；進食調查問卷，受受試者主觀因素影響較大；便攜式氣體分析法的儀器價格昂貴，在不穩定的環境條件下定標時間長，還有電池續航因素，使用便攜式氣體分析儀不可能完成較長時間的能量消耗情況的測量，難以評價體力活動情況；體力活動問卷則受問卷自身質量和受調查者的主觀影響較大；心率表法簡單易行，價格便宜，但其也受多重因素影響，不夠客觀，并且長時間的佩戴測試和數據采集也難于開展；運動傳感器法的數據類型單一，多種體力活動樣式不能夠很好區別，并且存在多方向上感知不夠準確的問題。

1.2 當前能量代謝研究的需要

Jequier和他的同事建造了世界上第一個能量代謝艙，該艙長3.33米，寬2.45米，高2.39米，有效體積為19000升，使用2層1毫米厚的鋁板，其間填充保溫材料，構成能量艙的墻體。在溫控系統控制下保持艙內溫度在24.0±0.5℃。在這之后Chen[5]等和Schoffelen[6]等也建設了能量代謝艙，并從模擬生活和運動的角度加以完善。伴隨國外在能量代謝艙領域的大量建設，江蘇省體育科學研究所在2008年建設了國內首家能量代謝實驗室。

在研究內容上，西方國家研究開展多年，成果豐富，涉及內容眾多，而國內使用能量代謝艙進行能量代謝的研究鮮有報道。早在上世紀90年代初，美國等國家就開始用能量代謝艙開展體力活動能量消耗的研究。1993年，Ainsworth等發表了《體力活動概要》，綜述了各類體力活動的能量消耗數值，將體力活動分為三級并對活動類型進行了分類和編碼。在2000年Ainsworth等又對1993年的概要進行了補充和修訂。根據體力活動能量消耗量表就可以確定體力活動的強度和單位時間的總量，這對體力活動的研究有重要意義。通過大量的研究，許多西方國家相繼發布了大眾開展體力活動推薦量。自1996年美國、加拿大、英國、澳大利亞等國都根據自身國情提出了國民體力活動推薦量。總的來看，Ainsworth等人總結的量表采用的是西方發達國家大量的研究結果，反映的是西方社會人群的日常體力活動狀況。此量表的很多內容與中國實際不符，且有很多具有中國特色的體力活動類型并不在其中。而在我國的體力活動相關研究尚在起步階段，符合中國人群和社會特點的體力活動量表還沒有建立，符合中國國情的體力活動推薦量也是空白。

此外，使用能量代謝艙開展研究也不僅僅局限于體力活動情況的研究，鹿琦[2]對國外使用能量代謝艙開展其它類型的研究進行了總結。研究的領域包括對于飲食的研究，不同運動情況的研究，不同人種的能量代謝研究，女性人群的能量代謝特點研究以及非體力活動和低溫時的能耗研究這些方面。這也反映出建設能量代謝實驗室開展研究的多樣性。

2 能量代謝實驗室的建設概況

江蘇省體育科學研究所建設了國內首家能量代謝實驗室——minisun chamber能量代謝實驗室。Minisun chamber能量代謝艙的體積為14000L，可容納1名受試者進行能耗測定，主要技術是利用順磁式氧氣分析儀和紅外二氧化碳分析儀進行chamber內的氣體濃度測定，再利用特定軟件進行分析得到受試者的能耗數據。該艙是由保溫隔熱的材料建造而成。其內裝備有寫字臺，抽水馬桶，恒溫系統，特殊照明系統，床墊，無線網絡，功率自行車，溫度濕度氣壓監測設備等。艙內溫度保持在22±0.2℃。主氣泵將艙內氣體抽出，這樣新鮮空氣在負壓的吸引下進入到艙內。一臺高精度的質量流量計監控總流量，其余4臺更加精密的小流量計分別把控參考氣體和測試氣體的流量。兩種氣體在經過除濕和恒溫后進分別進入到氧氣分析儀和二氧化碳分析儀。實際的耗氧量和二氧化碳產生量是由分析儀對進出 chamber的氣體成分進行分析后計算得出的。這一結果同時也被氣壓、流量以及濕度所修正。功率自行車與外部的電腦相連，這樣可以記錄到運動時的能耗與功率。每10秒記錄一次數據，但最終的數據是以間隔1分鐘的形式輸出。整個能量代謝艙的準確度我們以燃燒17次無水乙醇的方法進行測定，氧氣和二氧化碳的實際與理論的比對度高達98%。基于能量代謝艙硬件系統和配套軟件構成的能量代謝綜合測試系統，可以高精度、長時間的測量體力活動能量消耗值（大于24小時），受試者無需佩戴任何其它儀器，自然的在其中進行體力活動，不受其它影響。比較國內外所建設的各個能量代謝艙，江蘇省體育科學研究所建設的Minisun chamber能量代謝艙是世界同等大小能量代謝艙中精度最高的。

3 能量代謝實驗室的管理概況

實驗室的管理復雜而有難度， Mini sun chamber能量代謝實驗室，作為國內首建的能量代謝實驗室，沒有相關管理經驗能夠參考，同時實驗室能量代謝艙結構復雜，儀器精密，這對儀器的使用和保養都提出了很高的要求。因此，Minisun chamber能量代謝實驗室的管理更具挑戰。

江蘇省體育科學研究所通過多年來學習探索和實踐積累，在本所實驗與技術服務中心規章制度和工作細則的框架和基礎上，進一步完善和細化了能量代謝實驗室的管理內容。一方面，建立了能量代謝實驗室的工作制度，從九個方面概括的對能量代謝實驗室相關工作提出了要求。更重要的一方面是詳細編寫了minisun chamber能量代謝實驗室的操作規程，內容包括：原理概述，技術要求（電路條件，實驗室溫濕度要求，實驗用品要求，實驗準備要求），使用操作流程，定標操作流程，注意事項，維護與保養，常見故障類型和排除等。這些內容為能量代謝實驗室的順利運行提供了全方位的保障。而這些操作規程的制定和建立，不僅有實踐操作經驗的積累，也有經過科學研究所證實的一些方法和手段，如通過對定標方法的研究[7]，提出了能量代謝實驗室酒精定標方法，并發表到刊物。

4 能量代謝實驗室的應用與展望

使用能量代謝艙開展研究在我國許多領域存在空白。從改善人民群眾體質角度來看，在能量代謝實驗室開展體力活動相關研究，了解人群體力活動情況，可以為我國制定體力活動推薦量表和居民能量消耗模型提供科學依據，指導人們開展科學鍛煉。

從助力競技體育的角度來看，可以從能量物質代謝水平角度來把握運動員機能狀態，指導訓練，評定恢復，達到科學化訓練的目的。通過實驗室檢測運動員能量代謝也為運動員選材和訓練效果的客觀評估的重要參考依據。另外基于能量代謝平衡的角度，對于有控重需求的運動員，可以達到精確測量的效果。

雖然能量代謝實驗室可以較為準確的測量能量代謝的相關數據，但是畢竟會受到實驗室客觀條件限制，受試者的活動情況還會受到一定的影響。能量代謝實驗室的建設，除了建設能量代謝艙之外，可以結合多種類型的傳感器。全方面捕獲數據，精確而方便的計算能量消耗情況。

[1] 王超,陳佩杰.體力活動研究的現狀及趨勢[J].北京體育大學學報, 2012,35(8):43-49.

[2] 鹿琦,朱曉梅.能量代謝實驗室的構建與特色[J].中國組織工程研究, 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,朱曉梅.能量代謝實驗室酒精定標方法的研究[J].四川解剖學雜志, 2013,21(2): 21-24.