能量代謝實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性分析以及建設(shè)管理實(shí)踐

寧錚美 季師敏 劉 剛

（江蘇省體育科學(xué)研究所，江蘇 南京 210033）

體力活動(dòng)與健康之間的密切關(guān)系從20世紀(jì)中期以來就被人們發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究和證據(jù)的積累，人們對(duì)于體力活動(dòng)與健康之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)更加充分和深入，各國(guó)參照研究結(jié)果編寫體力活動(dòng)指南，指導(dǎo)人們開展體力活動(dòng)改善健康水平，并根據(jù)研究進(jìn)展定期進(jìn)行更新。隨著研究的不斷深入，當(dāng)前對(duì)于體力活動(dòng)水平的測(cè)量，更要求準(zhǔn)確和客觀，在探討體力活動(dòng)與健康指標(biāo)間的關(guān)系上，更緊抓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，在這樣的前提下，開展相關(guān)研究的結(jié)果才更具說服力和指導(dǎo)意義[1]。 測(cè)量體力活動(dòng)的方法有很多，包括雙標(biāo)水法、間接測(cè)熱法（便攜式氣體分析儀）、體力活動(dòng)記錄儀（心率表、加速度計(jì)、計(jì)步器等）、調(diào)查問卷等 ，這些測(cè)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(zhǔn)確的評(píng)價(jià)體力活動(dòng)，是測(cè)量人體能耗的“金標(biāo)準(zhǔn)”[2]。 因此，在體育領(lǐng)域高校和院所，建設(shè)和管理以能量代謝艙（ metabolism chamber）為核心的能量代謝實(shí)驗(yàn)室， 可以為體育科學(xué)工作者開展體力活動(dòng)與健康相關(guān)研究提供有力的硬件支持，是體育科學(xué)工作者客觀、準(zhǔn)確研究人體能量消耗情況的基本條件，對(duì)指導(dǎo)群眾科學(xué)鍛煉、改善體質(zhì)，有重要意義。

1 能量代謝實(shí)驗(yàn)室建設(shè)背景

1.1 客觀研究體力活動(dòng)測(cè)量能量代謝的需要

體力活動(dòng)具有多維性的特點(diǎn)，同時(shí)其涵蓋的內(nèi)容形式十分豐富，因此，體力活動(dòng)量的準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)價(jià)就成為一個(gè)很大的困難。而快速、準(zhǔn)確、有效的測(cè)定體力活動(dòng)的能量消耗，評(píng)價(jià)體力活動(dòng)情況，這是研究的一個(gè)難題。雙標(biāo)水法、使用體力活動(dòng)記錄儀等測(cè)量方法在應(yīng)用上都存在自身的適用條件，因此在個(gè)案研究中還需要慎重選擇。樣本量較小的試驗(yàn)性研究需要較為客觀和準(zhǔn)確性較高的測(cè)量方法，測(cè)熱法和雙標(biāo)水法較多被采用，但考慮研究的經(jīng)費(fèi)開銷，這類方法難以在大樣本量的研究中進(jìn)行。在流行病學(xué)研究中仍主要依賴問卷調(diào)查作為主要測(cè)量手段[3]。而問卷的設(shè)計(jì)和應(yīng)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(jīng)過質(zhì)量控制程序后方可大范圍使用。小型活動(dòng)記錄儀的大量使用和不斷完善，使得體力活動(dòng)的流行病學(xué)研究有了長(zhǎng)足發(fā)展，特別是加速度計(jì)被認(rèn)為能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)量體力活動(dòng)，當(dāng)前學(xué)者更加建議把加速度計(jì)和問卷調(diào)查結(jié)合在一起，增加研究結(jié)果的科學(xué)性和合理性[4]。

使用能量代謝艙測(cè)量人體能量消耗，是間接測(cè)熱法的一種，可以準(zhǔn)確、客觀的記錄人體能量消耗情況，并進(jìn)行分析計(jì)算。能量代謝艙是根據(jù)研究需要所定制設(shè)計(jì)建造的一個(gè)近似密閉房間，艙內(nèi)系統(tǒng)收集人體代謝過程的氣體，計(jì)算氣體成分變化和能耗。艙內(nèi)放置簡(jiǎn)單的生活設(shè)施和運(yùn)動(dòng)設(shè)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(cè)定體力活動(dòng)的能量消耗的主要儀器，但發(fā)現(xiàn)其在研究測(cè)試過程中常會(huì)發(fā)生不可知的問題，不能夠?yàn)檠芯刻峁?zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)，因此逐漸將能量代謝艙作為能量代謝測(cè)定的“金標(biāo)準(zhǔn)”。人體在數(shù)天內(nèi)體力活動(dòng)和對(duì)應(yīng)的能量消耗情況，都能夠通過能量代謝艙進(jìn)行測(cè)定，準(zhǔn)確度高達(dá)98%。相較于其它方法，雙標(biāo)水法的硬件和耗材昂貴，數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，測(cè)試過程至少需要3天；進(jìn)食調(diào)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(jià)格昂貴，在不穩(wěn)定的環(huán)境條件下定標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，還有電池續(xù)航因素，使用便攜式氣體分析儀不可能完成較長(zhǎng)時(shí)間的能量消耗情況的測(cè)量，難以評(píng)價(jià)體力活動(dòng)情況；體力活動(dòng)問卷則受問卷自身質(zhì)量和受調(diào)查者的主觀影響較大；心率表法簡(jiǎn)單易行，價(jià)格便宜，但其也受多重因素影響，不夠客觀，并且長(zhǎng)時(shí)間的佩戴測(cè)試和數(shù)據(jù)采集也難于開展；運(yùn)動(dòng)傳感器法的數(shù)據(jù)類型單一，多種體力活動(dòng)樣式不能夠很好區(qū)別，并且存在多方向上感知不夠準(zhǔn)確的問題。

1.2 當(dāng)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(gè)能量代謝艙，該艙長(zhǎng)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(gòu)成能量艙的墻體。在溫控系統(tǒng)控制下保持艙內(nèi)溫度在24.0±0.5℃。在這之后Chen[5]等和Schoffelen[6]等也建設(shè)了能量代謝艙，并從模擬生活和運(yùn)動(dòng)的角度加以完善。伴隨國(guó)外在能量代謝艙領(lǐng)域的大量建設(shè)，江蘇省體育科學(xué)研究所在2008年建設(shè)了國(guó)內(nèi)首家能量代謝實(shí)驗(yàn)室。

在研究?jī)?nèi)容上，西方國(guó)家研究開展多年，成果豐富，涉及內(nèi)容眾多，而國(guó)內(nèi)使用能量代謝艙進(jìn)行能量代謝的研究鮮有報(bào)道。早在上世紀(jì)90年代初，美國(guó)等國(guó)家就開始用能量代謝艙開展體力活動(dòng)能量消耗的研究。1993年，Ainsworth等發(fā)表了《體力活動(dòng)概要》，綜述了各類體力活動(dòng)的能量消耗數(shù)值，將體力活動(dòng)分為三級(jí)并對(duì)活動(dòng)類型進(jìn)行了分類和編碼。在2000年Ainsworth等又對(duì)1993年的概要進(jìn)行了補(bǔ)充和修訂。根據(jù)體力活動(dòng)能量消耗量表就可以確定體力活動(dòng)的強(qiáng)度和單位時(shí)間的總量，這對(duì)體力活動(dòng)的研究有重要意義。通過大量的研究，許多西方國(guó)家相繼發(fā)布了大眾開展體力活動(dòng)推薦量。自1996年美國(guó)、加拿大、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)都根據(jù)自身國(guó)情提出了國(guó)民體力活動(dòng)推薦量?？偟膩砜?，Ainsworth等人總結(jié)的量表采用的是西方發(fā)達(dá)國(guó)家大量的研究結(jié)果，反映的是西方社會(huì)人群的日常體力活動(dòng)狀況。此量表的很多內(nèi)容與中國(guó)實(shí)際不符，且有很多具有中國(guó)特色的體力活動(dòng)類型并不在其中。而在我國(guó)的體力活動(dòng)相關(guān)研究尚在起步階段，符合中國(guó)人群和社會(huì)特點(diǎn)的體力活動(dòng)量表還沒有建立，符合中國(guó)國(guó)情的體力活動(dòng)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(dòng)情況的研究，鹿琦[2]對(duì)國(guó)外使用能量代謝艙開展其它類型的研究進(jìn)行了總結(jié)。研究的領(lǐng)域包括對(duì)于飲食的研究，不同運(yùn)動(dòng)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(diǎn)研究以及非體力活動(dòng)和低溫時(shí)的能耗研究這些方面。這也反映出建設(shè)能量代謝實(shí)驗(yàn)室開展研究的多樣性。

2 能量代謝實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)概況

江蘇省體育科學(xué)研究所建設(shè)了國(guó)內(nèi)首家能量代謝實(shí)驗(yàn)室——minisun chamber能量代謝實(shí)驗(yàn)室。Minisun chamber能量代謝艙的體積為14000L，可容納1名受試者進(jìn)行能耗測(cè)定，主要技術(shù)是利用順磁式氧氣分析儀和紅外二氧化碳分析儀進(jìn)行chamber內(nèi)的氣體濃度測(cè)定，再利用特定軟件進(jìn)行分析得到受試者的能耗數(shù)據(jù)。該艙是由保溫隔熱的材料建造而成。其內(nèi)裝備有寫字臺(tái)，抽水馬桶，恒溫系統(tǒng)，特殊照明系統(tǒng)，床墊，無線網(wǎng)絡(luò)，功率自行車，溫度濕度氣壓監(jiān)測(cè)設(shè)備等。艙內(nèi)溫度保持在22±0.2℃。主氣泵將艙內(nèi)氣體抽出，這樣新鮮空氣在負(fù)壓的吸引下進(jìn)入到艙內(nèi)。一臺(tái)高精度的質(zhì)量流量計(jì)監(jiān)控總流量，其余4臺(tái)更加精密的小流量計(jì)分別把控參考?xì)怏w和測(cè)試氣體的流量。兩種氣體在經(jīng)過除濕和恒溫后進(jìn)分別進(jìn)入到氧氣分析儀和二氧化碳分析儀。實(shí)際的耗氧量和二氧化碳產(chǎn)生量是由分析儀對(duì)進(jìn)出 chamber的氣體成分進(jìn)行分析后計(jì)算得出的。這一結(jié)果同時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)的能耗與功率。每10秒記錄一次數(shù)據(jù)，但最終的數(shù)據(jù)是以間隔1分鐘的形式輸出。整個(gè)能量代謝艙的準(zhǔn)確度我們以燃燒17次無水乙醇的方法進(jìn)行測(cè)定，氧氣和二氧化碳的實(shí)際與理論的比對(duì)度高達(dá)98%?；谀芰看x艙硬件系統(tǒng)和配套軟件構(gòu)成的能量代謝綜合測(cè)試系統(tǒng)，可以高精度、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量體力活動(dòng)能量消耗值（大于24小時(shí)），受試者無需佩戴任何其它儀器，自然的在其中進(jìn)行體力活動(dòng)，不受其它影響。比較國(guó)內(nèi)外所建設(shè)的各個(gè)能量代謝艙，江蘇省體育科學(xué)研究所建設(shè)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(shí)驗(yàn)室的管理概況

實(shí)驗(yàn)室的管理復(fù)雜而有難度， Mini sun chamber能量代謝實(shí)驗(yàn)室，作為國(guó)內(nèi)首建的能量代謝實(shí)驗(yàn)室，沒有相關(guān)管理經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌騾⒖?，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室能量代謝艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儀器精密，這對(duì)儀器的使用和保養(yǎng)都提出了很高的要求。因此，Minisun chamber能量代謝實(shí)驗(yàn)室的管理更具挑戰(zhàn)。

江蘇省體育科學(xué)研究所通過多年來學(xué)習(xí)探索和實(shí)踐積累，在本所實(shí)驗(yàn)與技術(shù)服務(wù)中心規(guī)章制度和工作細(xì)則的框架和基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善和細(xì)化了能量代謝實(shí)驗(yàn)室的管理內(nèi)容。一方面，建立了能量代謝實(shí)驗(yàn)室的工作制度，從九個(gè)方面概括的對(duì)能量代謝實(shí)驗(yàn)室相關(guān)工作提出了要求。更重要的一方面是詳細(xì)編寫了minisun chamber能量代謝實(shí)驗(yàn)室的操作規(guī)程，內(nèi)容包括：原理概述，技術(shù)要求（電路條件，實(shí)驗(yàn)室溫濕度要求，實(shí)驗(yàn)用品要求，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備要求），使用操作流程，定標(biāo)操作流程，注意事項(xiàng)，維護(hù)與保養(yǎng)，常見故障類型和排除等。這些內(nèi)容為能量代謝實(shí)驗(yàn)室的順利運(yùn)行提供了全方位的保障。而這些操作規(guī)程的制定和建立，不僅有實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)的積累，也有經(jīng)過科學(xué)研究所證實(shí)的一些方法和手段，如通過對(duì)定標(biāo)方法的研究[7]，提出了能量代謝實(shí)驗(yàn)室酒精定標(biāo)方法，并發(fā)表到刊物。

4 能量代謝實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用與展望

使用能量代謝艙開展研究在我國(guó)許多領(lǐng)域存在空白。從改善人民群眾體質(zhì)角度來看，在能量代謝實(shí)驗(yàn)室開展體力活動(dòng)相關(guān)研究，了解人群體力活動(dòng)情況，可以為我國(guó)制定體力活動(dòng)推薦量表和居民能量消耗模型提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)人們開展科學(xué)鍛煉。

從助力競(jìng)技體育的角度來看，可以從能量物質(zhì)代謝水平角度來把握運(yùn)動(dòng)員機(jī)能狀態(tài)，指導(dǎo)訓(xùn)練，評(píng)定恢復(fù)，達(dá)到科學(xué)化訓(xùn)練的目的。通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員能量代謝也為運(yùn)動(dòng)員選材和訓(xùn)練效果的客觀評(píng)估的重要參考依據(jù)。另外基于能量代謝平衡的角度，對(duì)于有控重需求的運(yùn)動(dòng)員，可以達(dá)到精確測(cè)量的效果。

雖然能量代謝實(shí)驗(yàn)室可以較為準(zhǔn)確的測(cè)量能量代謝的相關(guān)數(shù)據(jù)，但是畢竟會(huì)受到實(shí)驗(yàn)室客觀條件限制，受試者的活動(dòng)情況還會(huì)受到一定的影響。能量代謝實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，除了建設(shè)能量代謝艙之外，可以結(jié)合多種類型的傳感器。全方面捕獲數(shù)據(jù)，精確而方便的計(jì)算能量消耗情況。

[1] 王超,陳佩杰.體力活動(dòng)研究的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào), 2012,35(8):43-49.

[2] 鹿琦,朱曉梅.能量代謝實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與特色[J].中國(guó)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(shí)驗(yàn)室酒精定標(biāo)方法的研究[J].四川解剖學(xué)雜志, 2013,21(2): 21-24.