常見便攜式遙測氣體代謝儀核心測量指標(biāo)的信度和效度分析

陳俊飛，湯強(qiáng)，嚴(yán)翊，謝敏豪

現(xiàn)代社會的不斷進(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)。

便攜式遙測氣體代謝儀的出現(xiàn)，克服了自由狀態(tài)下的體力活動量評價難的問題，被廣泛應(yīng)用于體力活動相關(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，競技體育科研等。但這些設(shè)備測量是否準(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）測量的信度和效度如何？對于設(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 便攜式遙測氣體代謝儀的發(fā)展

便攜式遙測氣體代謝儀是基于間接測熱法（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，每隔一段時間（30 s或1 min）更換一個氣袋，整個測試過程約需要幾十個氣袋。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，得出受試者單位時間內(nèi)O2的消耗量和CO2的生成量，并計算呼吸商（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)為氣體代謝測試的“金標(biāo)準(zhǔn)”（gold standard）[10-13]，常被用于評判新的氣體代謝設(shè)備測量的效度[14]。

由于DB法測試整個過程緩慢而且非常繁瑣，且設(shè)備體積大，難于攜帶，短時間內(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)展和計算機(jī)的應(yīng)用，測試技術(shù)有了大飛躍，人們提出呼出氣的動態(tài)混合概念，即混合倉（Mixing Chamber）法，在測試的同時便可得到了氣體代謝的數(shù)據(jù)?；旌蟼}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)荷的測試[16]，但由于數(shù)據(jù)動態(tài)性能差，反映遲鈍，該方法不適用于短時間快速精確的測量。

隨后出現(xiàn)了更為及時的breath-by-breath方法，即分析每一口呼出氣的VE、O2和CO2濃度，使VO2的測試成為一個快速、精確、動態(tài)測試。無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用，使氣體代謝測試突破了以前測試只能在跑臺或功率車上進(jìn)行，它可以測試自由活動狀態(tài)下的氣體代謝狀況，這就是便攜式遙測氣體代謝儀。目前，市場上常見的設(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 常見便攜式遙測氣體代謝儀測量的信度和效度

便攜式遙測氣體代謝儀的出現(xiàn)，使得更為自由活動狀態(tài)下的體力活動能量消耗量測試成為現(xiàn)實(shí)。這些便攜式遙測氣體代謝儀測量是否準(zhǔn)確，需要對其核心指標(biāo)——VO2、VCO2和VE的測量信度和效度進(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)動測試。效度（Validity）分析對氣體代謝儀的測量值與模擬值或“金標(biāo)準(zhǔn)”DB方法測量值進(jìn)行分析，評價測量的有效性。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)行評價。

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

2.1 Cosmed K4b2氣體代謝儀測量的信度和效度

Cosmed K4b2便攜式遙測氣體代謝儀（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)動時有較好的信度，但其在安靜、上樓梯、大強(qiáng)度運(yùn)動（1 min沖刺跑）下，重復(fù)測量的一致性中等。其中，安靜時可能與其通氣量較小有關(guān)；下樓梯時重測信度差，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開展其它體力活動狀態(tài)下的重復(fù)測量信度研究。

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

表2 Cosmed K4b2氣體代謝儀測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氣體代謝儀測量的信度和效度

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

對于這套系統(tǒng)的信度和效度的研究多針對于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]為測量信度高的標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)研究結(jié)果Metamax 3B/VmaxST重復(fù)測量的一致程度高。而人體進(jìn)行不同速度的步行和跑步時，CV升高，特別是VCO2的CV超過了10%，提示VmaxST在大強(qiáng)運(yùn)動（跑步速度9.65 km/h）時，其信度略差。未見Metamax 3B人體的重復(fù)測量信度的研究，建議對軟件升級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)動時，則存在高估的問題，特別是VCO2的測量值，這會造成體力活動量被高估或有氧供能比例增加的現(xiàn)象，對于某一特定運(yùn)動項(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)用時需考慮其準(zhǔn)確的測試范圍。但由于Metamax 3B具有較好的信度，對于同一個體前后的測量數(shù)據(jù)還是可以進(jìn)行對比分析。

表3 Metamax 3B/VmaxST氣體代謝儀核心指標(biāo)測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氣體代謝儀測量的信度和效度

Oxycon Mobile是德國耶格（Jaeger）公司的產(chǎn)品，其便攜式遙測氣體代謝儀共有Oxycon Mobile I和II兩代產(chǎn)品。有關(guān)設(shè)備測量信度和效度的文章較少，未見信度方面研究，但其測量的穩(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)定測試45 min[31]。

效度方面，Rosdahl H等對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，VO2和VCO2分別比DB法高6%～14%和5%～9%，而達(dá)到最大攝氧量時，Oxycon Mobile I測量值又比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，測量的準(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)度時較為準(zhǔn)確，而在最大攝氧量時，約低估了4%～8%?？傮w而言，測量效度II代優(yōu)于I代，但還需要有更多的研究對其效度進(jìn)行分析。

2.4 VO2000氣體代謝儀測量的信度和效度

VO2000氣體代謝儀是美國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)核心測量指標(biāo)的信度和效度研究很少。

信度方面，Crouter SE等，對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)，整個實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)10～12 min，研究采用交叉設(shè)計，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)行測試，第二次測試，將測試系統(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)測量信度較DB法差。同樣，若以CV＜10%做為評判標(biāo)準(zhǔn)的話[40]，這套系統(tǒng)的測量信度和效度不甚理想。

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

3 分析與討論

3.1 便攜式遙測氣體代謝儀存在的問題

對常見的幾套便攜式遙測氣體代謝儀的測量信度和效度分析，結(jié)果表明，在運(yùn)動強(qiáng)度不是特別大時，這幾套便攜式遙測氣體代謝儀的核心指標(biāo)VE、VO2、VCO2測量的信度和效度較好。而當(dāng)運(yùn)動強(qiáng)度較大時，測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)計造成的，如：在較大運(yùn)動強(qiáng)度階段，運(yùn)動時間較短，運(yùn)動未達(dá)到穩(wěn)態(tài)；另一方面，運(yùn)動強(qiáng)度較大時，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)動摩擦力，導(dǎo)致VE測量不準(zhǔn)確，進(jìn)而引起VO2、VCO2測量的誤差。

另外，在采用便攜式氣體代謝儀（也是基于間接測熱法）去評價體力活動量時，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假設(shè)。第一個假設(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)動時，機(jī)體內(nèi)的能源物質(zhì)完全有氧氧化，此時RER相當(dāng)于RQ。而當(dāng)進(jìn)行較大強(qiáng)度運(yùn)動時，出現(xiàn)乳酸堆積，血液中H+濃度升高，會與碳酸氫鹽池中的[HCO3-]中和，釋放CO2，會使得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)動強(qiáng)度＞75%VO2max時，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性將會受到質(zhì)疑[33]。另一個假設(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，長時間的耐力運(yùn)動過程中是會發(fā)生糖異生的。糖異生過程需要消耗能量，同時也會影響RQ，因而會影響能量消耗量的計算結(jié)果。

3.2 便攜式遙測氣體代謝儀測量注意事項(xiàng)

影響便攜式遙測氣體代謝儀測量結(jié)果的因素較多[34]。因而，為了確保這些便攜式遙測儀獲得準(zhǔn)確有效的測量數(shù)據(jù)，為避免和減少測量引起的誤差，測試時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。（1）實(shí)驗(yàn)前要對氣壓、流量傳感器、O2和CO2分析器進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)閿z氧量測量的準(zhǔn)確程度與通氣量和氣體成分測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)動達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，能量消耗量才能準(zhǔn)確確定。通常DB法測試時，只收集運(yùn)動3～6 min時的呼出氣進(jìn)行測試，因?yàn)榇藭r氣體交換達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)。

4 小結(jié)

便攜式遙測氣體代謝儀可以很好地評價自由活動狀態(tài)下不同體力活動的能量消耗量。在使用便攜式遙測氣體代謝儀時，應(yīng)注意其核心指標(biāo)測量的信度和效度。其中，Cosmed K4b2、Metamax 3B和Oxycon Mobile II這3套典型便攜遙測氣體分析儀的核心指標(biāo)VE、VO2、VCO2的測量具有較好的信度和效度，特別是當(dāng)運(yùn)動強(qiáng)度低于75%VO2max，而當(dāng)運(yùn)動強(qiáng)度高于75%VO2max時，其測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評價范圍（以有氧代謝為主的體力活動）。建議同時測量運(yùn)動后即刻的血乳酸，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，在測試過程中應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范操作，減少人為造成的測量誤差。建議多開展大強(qiáng)度運(yùn)動和復(fù)雜體力活動模式下設(shè)備測量的信度和效度研究，以便對儀器的應(yīng)用范圍有更深刻的了解。

[1]李之俊,向劍鋒,劉欣,等.運(yùn)動促進(jìn)健康研究新進(jìn)展[J].體育科研,2012,33（2）:1-15.

[2]喬玉成,王衛(wèi)軍.全球人口體力活動不足的概況及特征[J].體育科學(xué),2015,（8）:8-15.

[3]Cecchini M.,Sassi F.,Lauer J.A.,et al.Tackling of unhealthy diets,physical inactivity,and obesity:health effects and cost-effectiveness[J].Lancet,2010,376（9754）:1775-1784.

[4]Huang P.L.A comprehensive definition for metabolic syndrome[J].Dis Model Mech,2009,2（5-6）:231.

[5]Yu Z.,Ye X.,Wang J.,et al.Associations of physical activity with inflammatory factors,adipocytokines,and metabolic syndrome in middle-aged and older chinese people[J].Circulation,2009,119（23）:2969-2977.

[6]Lamonte M.J.,Blair S.N.,Church T.S.Physical activity and diabetes prevention[J].J Appl Physiol,2005,99（3）:1205-1213.

[7]Yates T.,Khunti K.,Troughton J.,et al.The role of physical activity in the management of type 2 diabetes mellitus[J].Postgrad Med.J.,2009,85（1001）:129-133.

[8]Garg P.K.,Tian L.,Criqui M.H.,et al.Physical activity during daily life and mortality in patients with peripheral arterial disease[J].Circulation,2006,114（3）:242-248.

[9]Branson R.D.,Johannigman J.A.The measurement of energy expenditure[J].Nutr.Clin.Pract.,2004,19（6）:622-636.

[10]Brehm M.A.,Harlaar J.,Groepenhof H.Validation of the portable VmaxST system for oxygen-uptake measurement[J].Gait posture,2004,20（1）:67-73.

[11]Bassett D.R.,Howley E.T.,Thompson D.L.,et al.Validity of inspiratory and expiratory methods of measuring gas exchange with a computerized system[J].J.Appl.Physiol,2001,91（1）:218-224.

[12]Crouter S.E.,Antczak A.,Hudak J.R.,et al.Accuracy and reliability of the ParvoMedics TrueOne 2400 and Med-Graphics VO2000 metabolic systems[J].Eur.J.Appl.Physiol,2006,98（2）:139-151.

[13]Mclaughlin J.E.,King G.A.,Howley E.T.,et al.Validation of the COSMED K4 b2 portable metabolic system[J].Int.J.Sports Med.,2001,22（4）:280-284.

[14]Hopker J.G.,Jobson S.A.,Gregson H.C.,et al.Reliability of cycling gross efficiency using the Douglas bag method[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2012,44（2）:290-296.

[15]Shephard R.J.A critical examination of the Douglas bag technique[J].J.Physiol,1955,127（3）:515-524.

[16]Macfarlane D.J.Automated metabolic gas analysis systems:a review[J].Sports Med.,2001,31（12）:841-861.

[17]Bland J.M.,Altman D.G.Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement[J].Lancet,1986,1（8476）:307-310.

[18]Hopkins W G.Measures of reliability in sports medicine and science[J].Sports Med.,2000,30（1）:1-15.

[19]張磊,王綿珍,王治明,等.動靜態(tài)心肺功能遙測系統(tǒng)重測信度的評價[J].工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病,2003,29（1）:29-33.

[20]Stookey A.D.,Mccusker M.G.,Sorkin J.D.,et al.Testretest reliability of portable metabolic monitoring after disabling stroke[J].Neurorehabil Neural Repair,2013,27（9）:872-877.

[21]Darter B.J.,Rodriguez K.M.,Wilken J.M.Test-retest reliability and minimum detectable change using the K4b2:oxygen consumption,gait efficiency,and heart rate for healthy adults during submaximal walking[J].Res.Q.Exerc.Sport,2013,84（2）:223-231.

[22]Keefer D.J.Effects of Body Movement on the Reliability of a Portable Gas Analysis System[J].Human Movement,2013,14（1）:82-86.

[23]Veluswamy S.K.,Guddattu V.,Maiya A.G.Test-retest reliability of a portable gas analysis system under free living conditions[J].Indian J.Physiol Pharmacol,2015,59（1）:117-120.

[24]Duffield R.,Dawson B.,Pinnington H.C.,et al.Accuracy and reliability of a Cosmed K4b2 portable gas analysis system[J].J.Sci.Med.Sport,2004,7（1）:11-22.

[25]劉健敏,徐增年,李顏,等.心肺功能測定儀與多氏袋測定健康青年能量消耗的對比[J].中華預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2010,44（9）:795-799.

[26]Macfarlane D.J.,Wong P.Validity,reliability and stability of the portable Cortex Metamax 3B gas analysis system[J].Eur.J.Appl.Physiol,2012,112（7）:2539-2547.

[27]Prieur F.,Castells J.,Denis C.A methodology to assess the accuracy of a portable metabolic system（VmaxST）[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2003,35（5）:879-885.

[28]Perkins C.D.,Green M.R.,Pivarnik J.M.Reliability andvalidityofthesensormedicsVmaxSTportablemetabolic analyzer[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2002,34（5）:S4.

[29]Blessinger J.,Sawyer B.,Davis C.,et al.Reliability of the VmaxST portable metabolic measurement system[J].Int.J.Sports Med.,2009,30（1）:22-26.

[30]Vogler A.J.,Rice A.J.,Gore C.J..Validity and reliability of the Cortex MetaMax3B portable metabolic system[J].J.Sports Sci.,2010,28（7）:733-742.

[31]Sailer Eriksson J.,Rosdahl H.,Schantz P.Validity of the Oxycon Mobile metabolic system under field measuring conditions[J].Eur.J.Appl.Physiol,2012,112（1）:345-355.

[32]Rosdahl H.,Gullstrand L.,Sailer-Eriksson J.,et al.E-valuation of the Oxycon Mobile metabolic system against the Douglas bag method[J].Eur.J.Appl.Physiol,2010,109（2）:159-171.

[33]Jeukendrup A.E.,Wallis G.A.Measurement of substrate oxidationduringexercisebymeansofgasexchangemeasurements[J].Int.J.Sports Med.,2005,26（Suppl 1）:S28-S37.

[34]Atkinson G.,Davison R.C.,Nevill A.M.Performance characteristics of gas analysis systems:what we know and what we need to know[J].Int.J.Sports Med.,2005,26（Suppl 1）:S2-S10.