人體代謝艙應用進展及標準化研究

摘 要：本文介紹了人體代謝艙的測定原理和分類，說明其在能量檢測中的優勢，從生理學研究、能量代謝評估與疾病診斷、藥物研發、環境模擬與生存狀態評估四個方面總結人體代謝艙的應用現狀。同時，從標準化角度出發，分析人體代謝艙的標準化需求，調研標準化研究現狀，闡明現階段標準化挑戰并提出相應對策，以期為人體代謝艙相關研究提供參考。

關鍵詞：人體代謝艙，應用進展，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.17.009

0 引 言

新陳代謝是生命最基本的特征之一，其包括物質代謝和能量代謝兩個方面。機體通過物質代謝，從外界攝取營養物質，同時經過體內分解吸收將其中蘊藏的化學能釋放出來轉化為組織和細胞可以利用的能量，人體利用這些能量來維持生命活動。通常將在物質代謝過程中所伴隨的能量的釋放、轉移、貯存和利用稱為能量代謝。

能量代謝的測量方法有很多，如直接測熱法、間接測熱法、雙標水法、心率檢測法、運動傳感器法、自我報告法等。多項研究已表明，能量代謝異常與糖尿病、肥胖、心血管疾病、癌癥等一系列重大慢性非傳染性疾病以及老齡化密切相關，加強對機體能量代謝調控機制的基礎研究，深入探究能量代謝的規律，可以幫助人們更好地了解身體健康狀態，采取相應的預防和治療措施。

1 人體代謝艙概述

1.1 人體代謝艙測定原理

人體代謝艙是國際公認的人體能量代謝測量的金標準，又稱“人類生存實驗室”，是一種人體代謝指數測量系統，可對人體在靜息、日常、運動等各種狀態下進行精確的能量代謝監測。它利用了間接測熱法的原理，通過收集艙體內的O2和CO2，采用高精密氣體濃度分析儀器測定人體O2消耗、CO2排出量，可無擾、連續、實時計算人體能量代謝消耗及糖、脂肪、蛋白質三大供能營養物質的消耗速率，實現了人體高維度的數據采集和高精度的時序隊列分析，對于促進健康和防控重大疾病具有重要意義。

1.2 人體代謝艙分類

1.2.1 標準代謝艙

一個環境舒適的家居環境，適用于長時間人體能量代謝監測，探測人體在代謝艙內各個行為模式或生理狀態下的能量消耗、呼吸商等重要的生理參數。研究人員以無感方式采集不同外部干預刺激下人體呼出CO2和吸入O2含量的微弱變化，進而分析測定人體動態代謝率，一般實驗時長為24～72 h。

1.2.2 靜息代謝艙

又稱“食物熱效應代謝艙”，可以獲得極高時間分辨率的代謝測試數據，受試者每一個極小變化均可被捕捉到，可用于短時間能量代謝監測，一般實驗時長為0.5～2 h。

1.2.3 環境模擬代謝艙

除了有標準代謝艙全部功能外，還可通過氧氣濃度控制裝置，精準模擬不同海拔高度的氧分壓狀態，實現機體在縱向空間環境下能量代謝的相關研究。

1.3 人體代謝艙在能量檢測中的優勢

人體代謝艙在能量檢測過程中的優勢主要體現在：

（1）實時性：實現人體數據實時反饋、多項能量代謝指標同時測定、長時程觀測受試者自由活動狀態等。

（2）高效性：能夠同時測算24 h能量消耗及其組分。

（3）準確性：與呼吸頭罩的總體準確性相當，而且在個體水平較公式法計算BMR、運動計法測算更為精準。

（4）舒適性：與呼吸頭罩、兜罩等測量方式相比，可以最大程度模擬受試者的日常生活狀態，減少設備佩戴所造成的活動限制，實現長時間持續測量[1]。

2 人體代謝艙的應用現狀

2.1 生理學研究

人體代謝艙能夠提供關于人體能量代謝的詳細信息，對于理解人體在靜息、日常活動以及特定生理條件下的能量需求和代謝模式至關重要。國內已有團隊先后攻克了高精度差分氧濃度傳感、增量式多點采樣、艙體氣體快速混合、代謝模型算法設計、呼吸代謝模擬驗證平臺等關鍵技術，開發出國內首套具有完全自主知識產權的智慧代謝艙，進一步拓展集成了人體代謝組學分析與腸道菌群宏基因組學分析，實現對人體代謝多維度、多層次動態監測與集成分析。

2.2 能量代謝評估與疾病診斷

2.2.1 在代謝性疾病中的應用

在過去幾十年，代謝性疾病患病率逐漸升高，人們愈發關注能量代謝平衡在代謝疾病中的作用，由此帶來人體代謝艙在醫學研究應用的廣泛前景[2]。

（1）肥胖癥

肥胖是一種慢性疾病，是誘發高血壓、冠心病、2型糖尿病、血脂代謝異常和其他慢性疾病的根源。引起肥胖的主要原因是不良的飲食習慣，尤其是過多的脂肪攝入，以及靜止的生活方式，引起熱能攝入與消耗的失衡，造成脂肪在體內的過度蓄積。運用人體代謝艙測量肥胖癥患者的能量消耗和代謝參數，可以評估其能量代謝狀態，探究肥胖的能量消耗率的改變或病因，分析能量消耗與能量攝入的關系，以實現能量平衡及肥胖精準診治。

（2）2型糖尿病

2型糖尿病是21世紀危害公共衛生最嚴重的疾病之一， 其發病機制至今尚不清楚， 目前已知涉及胰島素抵抗、β細胞功能缺陷、胰島α細胞功能異常和胰高血糖素樣肽-1分泌缺陷等[3]。運用人體代謝艙對2型糖尿病患者或具有2型糖尿病危險因素的個體進行能量代謝率檢測，正確評估胰島β細胞功能、早期干預并制訂合適的治療方案對于延緩2型糖尿病的進展具有重要的臨床意義[4]。

2.2.2 在內分泌疾病中的應用

機體的能量代謝主要通過神經-內分泌系統調節，下丘腦是調節適應性產熱的中樞，多種神經內分泌激素在下丘腦中同時起調節攝食和能量消耗的作用[5]。下丘腦、垂體、甲狀腺、腎上腺等內分泌腺體分泌的激素是能量代謝調節的重要因素，激素水平異常可導致能量代謝改變。利用人體代謝艙探究疾病狀態及治療后的能量代謝率改變，能夠為內分泌疾病的診治和能量平衡提供關鍵證據。

2.3 藥物研發

人體代謝艙可用于評估藥物對人體能量代謝的影響，從而幫助研究人員了解藥物的療效和安全性。例如，在開發治療肥胖癥或糖尿病的藥物時，人體代謝艙可用于評估藥物對能量消耗、脂肪氧化和葡萄糖代謝等指標的影響，以及在不同生理條件下的代謝動力學和藥效學特性，對于優化藥物劑量、提高藥物療效和降低不良反應具有重要意義，為藥物的臨床應用提供重要參考。

2.4 環境模擬與生存狀態評估

人們的健康依賴于機體暴露的環境，但“蝴蝶效應”使環境變化的最終結果存在不確定性，導致人們對環境影響健康的機制知之甚少。人體代謝艙可以模擬各種極端環境，如高原、寒冷、高溫等，以評估人體在這些環境下的生存狀態和能量代謝變化，對于研究人體對環境的適應性、制定應急救援措施等具有重要意義。

3 人體代謝艙的標準化研究

3.1 標準化需求

人體代謝艙作為內分泌代謝和精準營養研究重要科研平臺，已被列入衛健委國家內分泌代謝臨床中心和區域中心的標準化配置。人體代謝艙一般是由監測工作站和代謝艙體組成，監測工作站包含能量代謝監測主機和電腦等；艙體通常裝配正常的生活設施、控溫系統、安全報警裝置等，并會根據具體的需求進行調整。

隨著人體代謝艙在多個領域的廣泛應用，國內外人體代謝艙生產企業逐漸增多，人體代謝艙市場正朝著智能化、便攜化、多功能化的方向發展，技術創新進一步推動了市場的發展，但是人體代謝艙的生產、配置、使用、后期維護等過程目前并沒有統一的標準規范，這就造成了各個過程的不統一，亟需制定相關的標準，確保實驗結果的準確性和可比性，提高研究的科學性和可靠性，促進代謝艙技術的普及和應用，推動相關領域的快速發展。

3.2 標準化研究現狀

人體代謝艙作為一個新興研究領域，目前國內外暫無直接關聯的標準，相關的標準多集中在人體監測方面，其中ISO 8996：2021規定了在熱工作環境的人體工程學背景下測定代謝率的不同方法，還可以用于評估工作實踐、特定工作或體育活動的能量消耗以及活動的總能量消耗。GB/T 18048—2008規定了在工作氣候環境下的各種代謝率測定方法，適用于工作行為評估，特定工作、體育運動的體能消耗估算，以及特定活動的總能耗估算等。WS/T 424—2013規定了人體身高（長）、體重、頭圍、腰圍、臀圍和皮褶厚度的測量方法及技術要求，適用于人群營養調查、健康狀況調查及監測時的人體測量。T/HBAS 017—2023規定了健康風險監測及預警處置的術語和定義、基本要求、監測及預警處置流程、監測內容與要求、預警處置要求、服務要求、數據分析與應用、服務評價與改進，適用于基于穿戴式體征監測儀連續數據采集進行的預警處置。

國內外人體代謝艙相關的標準詳見表1。

3.3 標準化挑戰與對策

近年來，國內外在人體代謝艙標準化研究方面取得了一定進展。然而，人體代謝艙標準化研究仍面臨一些挑戰：

（1）設備方面，國內人體代謝艙的購置和使用大多依賴進口，不僅增加了科研成本，也在一定程度上限制了技術的創新和應用，同時，特殊的場景需求也對設備的精度和穩定性提出了較高要求。通過加大人體代謝艙等關鍵設備的自主研發力度，提高設備的國產化率，降低科研成本，推動人體代謝艙的普及和應用，確保設備的穩定性和可靠性。

（2）技術方面，人體代謝艙能夠監測人體能量代謝的詳細信息，操作規范的不統一也會對數據結果產生影響。通過制定統一的操作規范，包括受試者準備、數據采集、處理和分析等環節的詳細規定，借助人工智能和機器學習技術，對人體代謝艙產生的數據進行深度挖掘和分析，發現更多有價值的生物學信息。

（3）數據方面，人體代謝艙產生的數據龐大且復雜，包括多種生理參數和代謝物測量結果，需要高度的技術和計算能力進行處理，但是不同實驗室、平臺或技術所獲得的數據存在差異，使得數據整合和比較變得困難。可以建立統一的數據采集、處理和分析方法，確保實驗結果的可比性和可重復性，加強對數據質量的控制和管理，確保數據的準確性和可靠性。

4 結 語

人體代謝艙是國際公認的人體能量代謝測量的金標準，具有精密準確、舒適、簡便、安全的優點，可連續監測幾乎所有代謝參數，在能量代謝、疾病機制、藥物研發等領域具有廣泛的應用前景。人體代謝艙是人工智能技術在智慧醫療領域的一次全新嘗試，它通過智能傳感器與深度學習算法分析生活方式與疾病之間的關聯性。未來，可以通過醫工交叉深度融合，完善人體代謝艙技術特色，發揮人體代謝艙的臨床和科研價值，推動人體代謝艙科研平臺的標準化，以高水平科技創新助力健康中國建設。

參考文獻

[1]金辰燁，王衛慶，寧光.人體代謝艙在內分泌代謝病中的應用進展與展望[J].中華內分泌代謝雜志，2020，36（5）：433-436.

[2]艾磊，羅維，鹿琦，等.不同體型成年人在平躺、久坐、睡眠和運動狀態下代謝當量與能耗的比較研究[J].成都體育學院學報，2021，47（3）：106-112.

[3]張寶月，劉艾林，杜冠華.能量代謝紊亂對疾病的影響及其潛在藥物靶點[J].藥學學報.2019，54（8）：1372-1381.

[4]中華醫學會糖尿病學分會胰島β細胞學組 江蘇省醫學會內分泌學分會.2型糖尿病胰島β細胞功能評估與保護臨床專家共識[J].中華糖尿病雜志，2022，14（6）：533-543.

[5]方紅娟，楊雅然，鐘歷勇.內分泌激素在調節靜息能量代謝和體重控制中的作用[J].中華醫學雜志，2019，99（8）：629-632.

作者簡介

王萍萍，碩士研究生，工程師，研究方向為標準化。

許俊，碩士研究生，高級工程師，研究方向為標準化。

（責任編輯：袁文靜）