水合狀態(tài)對健康青年男性體成分生物電阻抗法測量結果的影響

周李明非，郭振向，劉 朦，張紙硯，包大鵬

身體成分測試能夠反映人體各節(jié)段的肌肉、水分和脂肪含量，是評估身體健康狀況以及運動員訓練和飲食狀態(tài)的重要指標（Sagayama et al.，2020），我國也將身體成分測試納入國家隊奧運備戰(zhàn)的基礎體能測試當中。目前身體成分的測試方法主要有水下稱重法、空氣置換法、雙能量X線測量法（dual-energy X-ray absorptiometry，DEXA）、計算機斷層攝影法（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）以及生物電阻抗法（bioelectrical impedance analysis，BIA）（邱艷芳等，2020；Lemos et al.，2017）。BIA由于其無創(chuàng)、安全、便攜、成本低等優(yōu)點已成為最常用的體成分測試方法（萇飛霸等，2014；欒培培等，2017），其原理是將人體視為一個導電的圓柱體，導體的總體積可以用長度（length，L）、電阻（resistance，R）和單頻電流（L2/R）來進行估算（Ack‐land et al.，2012）。由于人體細胞內液、細胞外液和細胞膜的電學性質不同，藉由微弱的交流電流通過人體各部分的不同頻率產生不同的阻抗，最終依靠外部電路測量人體電阻（R）和容抗（capacitive reactance，Xc）（高秀娥等，2012），其中電阻R主要由細胞內液和外液的電學特性決定，而容抗Xc主要由細胞膜之間的電容特性決定（Kyle et al.，2004a）。研究表明，BIA法測量身體成分主要基于二室模型（two-compartment，2C），即將身體分為脂肪（fat mass，FM）和去脂體重（free fat mass，FFM）兩部分（Wang et al.，2003），FM和FFM需要通過BIA法測定人體內的液體指標來進行計算，包括細胞外水分（extracellu‐lar water，ECW）、細胞內水分（intracellular water，ICW）、身體總水分（total body water，TBW）等（Kyle et al.，2004b）。在2C模型中，FM與體重相比得出體脂率（percentage of body fat，PBF），并且人們通常認為FFM的73%是TBW（Sagayama et al.，2020），而FFM中的水分及水合狀態(tài)是影響體成分測量結果的最普遍、最重要的變量（Sagayama et al.，2020）。水合狀態(tài)是指人體攝入液體使得機體內組織處于水分充盈狀態(tài)的過程（馬冠生等，2020）。已有研究表明，不同的水合狀態(tài)會影響B(tài)IA的體成分測試結果（Sergi et al.，2017）。人體飲水后沿食管進入胃僅停留短暫的幾分鐘，除少量水分在胃被吸收外，大部分水進入小腸被吸收，后經腎臟重吸收進入膀胱儲存。膀胱達到充盈的過程中，水分進入身體各部分，使得ECW、ICE、TBW指標發(fā)生變化，從而影響FM和FFM值發(fā)生相應變化。

BIA的測量原理使得其測試結果在實際應用操作中會受到受試者飲食、身體水合狀態(tài)等因素的影響，從而產生較大的測量誤差（Marra et al.，2019）。研究發(fā)現，飲水是影響B(tài)IA測量結果的直接原因。Barreira等（2020）對年齡24.2±6.7歲的100名受試者進行身體成分研究，結果發(fā)現，攝入500 ml水后FFM增加、PBF降低。很多BIA測試都會要求受試者在測試前排空膀胱（Leahy et al.，2012；O’Brien et al.，2002）。因此探究受試者測試前是否排空、是否禁止飲水對BIA體成分測量結果的影響對于規(guī)范BIA測試方法具有重要意義。但目前大多數研究集中于急性飲水對身體成分的影響或在排空條件下對身體成分進行測量研究，而水合狀態(tài)和水分不同分布位置對BIA體成分測試結果影響的研究較少。DEXA目前被認為是臨床研究中身體成分測試的“金標準”，因此研究中多使用DEXA對BIA測量結果進行檢驗和校對（Achamrah et al.，2018；Marra et al.，2019）。綜上所述，本研究擬通過使用BIA測量胃充盈、排空和膀胱充盈時的身體成分，并與DEXA測試結果進行一致性分析，來探究水合狀態(tài)對健康青年男性體成分BIA測量結果的影響。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

通過 G-Power 3.1.9.6（德國，Heinrich Heine University）計算本研究樣本量，設置Effect Size f為0.25、Power為0.9，計算得出樣本量應多于38人。研究對象納入標準如下：1）18～26歲成年男性；2）身體健康，無消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)疾病；3）體內沒有植入起搏器、鋼板等生物醫(yī)學金屬材料。最終本研究共招募44名健康青年男性作為受試者（表1），均自愿參加本研究。要求所有受試者實驗前48 h內沒有飲酒或飲用過含咖啡因的飲料，實驗前24 h未做過造影、核磁等影像學檢查。研究對象在實驗前充分了解BIA和DEXA相關基本情況，完全知曉實驗目的、實驗流程和注意事項，并簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of the Subjects

1.2 實驗儀器

1.2.1 生物電阻抗測試儀

體成分測試儀（韓國，Biospace公司，INBODY 720）利用8點接觸式電極通過6個不同的頻率（1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz、500 kHz、1 000 kHz）分別在 5個節(jié)段部分（右上肢、左上肢、軀干、右下肢、左下肢）進行30個阻抗測量，測量人體各部分的不同頻率產生不同的阻抗得出相應體成分數據。通過Health One體質健康管理系統(tǒng)（中國，協(xié)力創(chuàng)健公司）同步采集體成分指標，最終導出體成分數據報告。

1.2.2 雙能量X射線吸收法測試儀

雙能量X射線吸收法測試儀（美國，GE Healthcare公司，Lunar）設置測量參數長度196.8 cm、寬度65.8 cm，曝光因素電壓100.0 kV、電流-15.6 mA、時間7 min 16 s、劑量3.0 μGv。測試時選擇全身檢查、標準模式并通過enCORETM軟件（美國，GE Healthcare公司）生成體成分數據報告。

1.3 實驗設計和流程

李亦斌等（2020）的研究表明，當人體一天總排尿量為850 mL時，尿滲透壓約為764 mOsm/kg，身體處于正常水合狀態(tài)（尿液滲透壓≤800 mOsm/kg）?？紤]到汗液和呼吸作用能夠排出身體部分水分，且本實驗需要通過較短時間達到人體正常水合狀態(tài)，因此選用攝入1 L純凈水作為身體達到水合狀態(tài)的標準。正式實驗前對8名受試者進行預實驗發(fā)現，攝入1 L純凈水后身體能夠達到正常水合狀態(tài)且過程中無不良反應。

如圖1所示，44名受試者在正式測試的前一晚23：00前攝入1 L純凈水。次日清晨6：00測量身高后（讀數精確至0.1 cm）使用BIA進行第1次體成分測試（膀胱充盈），隨后排尿并記錄排出尿液的容積。膀胱排空后使用BIA進行第2次體成分測試（排空），之后補充與排出尿液等體積的純凈水后，使用BIA進行第3次體成分測試（胃充盈）。受試者在每次BIA測試后均進行DEXA體成分測試。BIA和DEXA的3次測試均由相同實驗人員完成。

圖1 實驗流程圖Figure 1.Protocol of Experiments

1.4 測試方案

1.4.1 BIA體成分測試

受試者在進行測試前需脫去鞋帽衣褲，并用濕巾擦拭雙手雙腳后赤腳站于測試儀器的電阻標記處（雙腳必須與金屬電極片接觸）。待儀器報告體重數值后（讀數精確至0.1 kg），雙手握住手柄（拇指與手掌必須與手柄上的金屬電極接觸）自然下垂且不能觸碰身體，目視前方保持放松靜止的站立狀態(tài)直至測試結束。測試指標包括體脂率（percentage of body fat，PBF，%）、全身水分（total body wa‐ter，TBW，kg）、去脂體重（free fat mass，kg）和體重（body weight，BW，kg）。

1.4.2 DEXA體成分測試

測試前實驗人員按照儀器操作要求對掃描儀進行OA校準（Leahy et al.，2012）。受試者需脫去衣帽鞋襪，并除去身上所有金屬物品，平躺于掃描儀上，雙手放于身體兩側，保持靜止姿勢，直至實驗人員告知掃描結束。測試指標包括4個部分（上肢、大腿、軀干、全身）的體脂率（%）、脂肪質量（kg）和肌肉質量（kg）。

1.5 關鍵指標

1.5.1 BIA測試原理

如果把人體視作一電阻率為ρ、長度為L、橫截面積為A的圓柱體，則人體的阻抗為：

由圓柱體體積V1=L×A可得人體導電物質的體積為：

根據上述公式可定義BIA的阻抗指數（impedance in‐dex，II）：

其中，c為模型常數、H為人體身高、R為人體各節(jié)段阻抗，因此當已知人體身高和各節(jié)段阻抗時，即可預測受試者體成分指標結果。

1.5.2 體成分指標

其中，FM是體脂含量、BW是體重

體重/kg：BW=FM＋FFM

其中，FFM是去脂體重

全身水分/kg：TBW=FFM×0.73

由上述公式可推導得

1.6 統(tǒng)計方法

所有測試結果的統(tǒng)計描述均采用“平均值±標準差”（M±SD）表示。使用SPSS 26.0統(tǒng)計軟件（美國，IBM公司）和MedCalc 19.0一致性分析軟件（美國，MedCalc公司）對測試結果進行統(tǒng)計分析。通過Shapiro-Wilk檢驗數據分布的正態(tài)性，使用單因素重復測量方差分析（oneway repeated measures ANOVA）分析膀胱充盈、排空和胃充盈對體成分測量結果的影響，并使用Bonferroni方法進行兩兩比較。采用Bland-Altman方法對BIA和DEXA體成分測試結果的一致性進行分析，計算兩組測試指標的均值和差值并報告一致限（limit of agreement，LoA），最終根據結果是否處于可接受的誤差范圍來判定BIA和DEXA兩種測試結果的一致性（Bland et al.，1986）。顯著性水平P設為0.05。

2 結果

2.1 體成分結果的變化

2.1.1 體脂率變化

如表2所示，在膀胱充盈時、排空時、胃充盈時用BIA測得的體脂率有顯著性差異（P=0.000）。兩兩對比分析后發(fā)現，排空后的體脂率高于膀胱充盈時的體脂率（P=0.000），胃充盈后體脂率顯著高于膀胱充盈時（P=0.001）和排空時（P=0.000，圖2）。

表2 不同充盈狀態(tài)體成分測試結果Table 2 Result of Body Composition in Different Filling Situation

圖2 不同充盈狀態(tài)對體脂率的影響Figure 2.Effect of Percent Body Fat on Different Filling Situation

2.1.2 全身水分和去脂體重變化

如表2所示，在膀胱充盈時、排空時、胃充盈時用BIA所測得的全身水分有顯著性差異（P=0.028）。兩兩對比分析后發(fā)現，胃充盈后全身水分與排空時相比無顯著差異（P＞0.05），胃充盈時全身水分低于膀胱充盈時（P=0.042），排空后全身水分低于膀胱充盈時的全身水分（P=0.022，圖3A）。

研究表明，去脂體重的約73%是全身水分（Lemos et al.，2017；Sagayama et al.，2020），因此依據全身水分結果推算各狀態(tài)下去脂體重結果（表2）。在膀胱充盈時、排空時、胃充盈時用BIA所測得的去脂體重有顯著性差異（P=0.002）。兩兩對比分析后發(fā)現，胃充盈時去脂體重高于排空時（P=0.008），膀胱充盈時去脂體重也高于排空時的去脂體重（P=0.001），胃充盈時與膀胱充盈時去脂體重無顯著差異（P＞0.05，圖3B）。

2.1.3 體重變化

如表2所示，在膀胱充盈時、排空時、胃充盈時用BIA所測得的體重有顯著性差異（P=0.000）。兩兩對比分析后發(fā)現，胃充盈時體重高于排空后（P=0.000），膀胱充盈時也顯著高于排空后的體重（P=0.000），胃充盈與膀胱充盈相比體重無顯著變化（P＞0.05，圖3C）。

圖3 不同充盈狀態(tài)對全身水分、去脂體重和體重的影響Figure 3.Effect of TBW、FFM、FM on Different Filling Situation

2.2 BIA測量結果和DEXA測量結果的一致性檢驗

2.2.1 體脂率測量結果的一致性

方差分析顯示，DEXA 3次測試中體脂率結果無顯著性差異（P=0.444）。一致性分析顯示，3次測試中BIA與DEXA的體脂率測試結果分別存在5.3%、4.7%、4.5%的差值均值，BIA測試的體脂率結果明顯低于DEXA，且在膀胱充盈狀態(tài)時體脂率差值最高，胃充盈狀態(tài)時體脂率差值最低（表3，圖4A～圖4C）。3次測試中BIA與DEXA樣本在一致限范圍外各有1點，占樣本總量的2.3%。說明在3種狀態(tài)下兩種測試方法的絕大多數（97.7%）樣本均在一致限范圍內，兩種測試體脂率結果具有較高一致性。

圖4 BIA和DEXA體脂率的Bland-Altman散點圖Figure 4.Percent Body Fat Scatter Plot of BIAand DEXA by Bland-Altman

表3 BIA和DEXA體脂率測試結果的一致性Table 3 Agreement Result of Percent Body Fat in BIAand DEXA

2.2.2 去脂體重測量結果的一致性

方差分析顯示，DEXA 3次測試中去脂體重結果無顯著性差異（P=0.154）。一致性分析顯示，3次測試中BIA與DEXA的去脂體重測試結果存在4.2 kg、3.5 kg、4.1 kg的差值均值，BIA測試的去脂體重結果明顯高于DEXA，且在排空狀態(tài)時二者相差最?。ū?，圖5A～圖5C）。3次測試中BIA與DEXA樣本在一致限范圍外各有3個點，占樣本總量的6.8%。說明在3種狀態(tài)下兩種測試方法的絕大多數（93.2%）測試樣本在一致限范圍內，兩種測試去脂體重結果具有較高一致性。

圖5 BIA和DEXA去脂體重的Bland-Altman散點圖Figure 5.Fat Free Mass Scatter Plot of BIA and DEXA by Bland-Altman

表4 BIA和DEXA去脂體重測試結果的一致性Table 4 Agreement Result of Fat Free Mass in BIAand DEXA

3 討論

本研究發(fā)現，水合狀態(tài)及其分布位置對BIA體成分測試結果有顯著影響，不同充盈狀態(tài)下水分分布位置不同，膀胱充盈時的體成分測量結果比胃充盈時受水分影響更大。膀胱充盈時體脂率最低是因為水分被身體吸收和利用，轉化為全身水分從而影響測量結果；胃充盈狀態(tài)下體脂率最高主要是飲水使得體重增加，進而導致測量結果變化；而排空時測量結果受影響較小。與DEXA測試結果對比，同樣發(fā)現在排空時更接近身體成分實際結果。

3.1 水合狀態(tài)對BIA體成分結果變化的影響

通過本研究可以看出，隨著水分在人體內被不斷吸收，BIA測試中體脂率會降低、全身水分升高。這說明水分在身體中的分布位置不同會明顯影響體脂率結果，測試前短時間內飲水使得結果偏高、不排空膀胱導致結果偏低。Androutsos等（2015）利用BIA法對比55名健康成年人在空腹、飲水后即刻、飲水后30 min、60 min、90 min、120 min 6種狀態(tài)下的體脂含量和體脂率，發(fā)現攝入水后會顯著提高體脂含量和體脂率，而在飲水后的4個時間間隔前均排空膀胱后發(fā)現體脂含量和體脂率沒有明顯變化。這說明水在不同部位的分布會影響B(tài)IA測試結果。隨著水分被不斷吸收和利用，身體由胃充盈狀態(tài)逐漸轉變?yōu)榘螂壮溆癄顟B(tài)，此時體重不變而去脂體重增加。當攝入水較長時間時膀胱達到充盈狀態(tài)，機體對水分的不斷吸收和利用使得全身水分增加從而體脂率降低（張娜等，2019）。本研究發(fā)現，在BIA測試前大量飲水會顯著影響體脂率和去脂體重的測試結果，其原因可能是由于飲水使得體重增加從而導致體脂率升高。有研究報道，在攝入500 ml水分后30 min內使用BIA方法檢測全身水分并不會有顯著性變化（Matthews et al.，2019）。本研究也發(fā)現，飲水后即刻全身水分并無明顯變化，因此飲水后BIA體成分測試結果發(fā)生的一系列變化主要是飲水提高了人體自身體重所導致，這也是目前大多BIA身體成分測試時要求受試者實驗前4～8 h禁食禁水的主要原因（賀靜等，2016）。

膀胱排空后導致的受試者體重下降而脂肪含量不變的情況，使得測試結果中體脂率升高，同時全身水分減少會造成測試結果中去脂體重下降。Sergi等（2017）在研究影響B(tài)IA結果的諸多因素中發(fā)現，儀器、實驗人員、測試環(huán)境和受試者4種變量是影響B(tài)IA測試結果的主要因素，其中受試者在禁食8 h后、膀胱排空即刻進行測試，體脂質量和去脂體重與“金標準”（DEXA）差值最小。膀胱充盈與測試實際情況中憋尿或未排空的狀態(tài)類似，此時體內抗利尿激素和醛固酮激素的分泌也會受到抑制，在激素的刺激下，腎臟進一步減少對水的重吸收，使得尿量增加，這也是導致膀胱排空后體重下降和全身水分減少的原因之一。由此可知，測試前排空膀胱會減少水分對于BIA測試結果的影響。

3.2 體成分結果一致性

BIA與DEXA體成分結果雖存在差值，但一致性較高。說明兩種測試方法都能有效評價體成分，DEXA測試結果不會受到水合狀態(tài)影響，但BIA測試結果受到飲水和憋尿的影響，且與實際值有一定誤差（Achamrah et al.，2018）。Bracco等（1996）對比發(fā)現，51名女性的去脂體重在BIA和DEXA測試中全身體脂率差值約7%。Hosking等（2006）對203名兒童進行BIA測試，同樣發(fā)現男生去脂體重結果高于DEXA測量值2.4%、體脂率低于DEXA測量值4.8%。這與本研究結果基本一致，而造成二者差值的原因主要是基本原理的差異。BIA是利用人體不同成分的導電性差異推測身體成分，而本實驗中通過改變體內水分含量和充盈位置導致測試時身體各節(jié)段的導電性改變，從而造成結果變化。DEXA測試是通過兩條稀釋X射線來掃描肌肉與骨骼的質量，并將身體各部分明確分隔開進行測量（Shepherd et al.，2017），其本質是通過比較身體各部分不同的密度來進行體成分測量，而水的密度較低并不會對DEXA測試結果造成影響。

統(tǒng)計結果表明，在3種不同充盈狀態(tài)下，排空時體脂率和去脂體重較接近實際值，而膀胱充盈時與實際值差異較大。O’Brien等（2002）對1987－2002年有關水合狀態(tài)影響B(tài)IA測試的研究進行綜述，發(fā)現人體水合狀態(tài)往往伴隨液體和電解質的變化，這種變化會導致人體各階段生物阻抗發(fā)生變化，從而影響B(tài)IA對全身水分的有效估計。8名健康成年男性按隨機順序接受高滲透壓、低滲透壓、等滲透壓3組干預后進行BIA體成分測試發(fā)現，過水合狀態(tài)下全身水分顯著增加，脫水狀態(tài)下全身水分明顯下降，均會影響體脂率和去脂體重的測試結果，只有正常水合狀態(tài)下全身水分保持不變（Berneis et al.，2000）。說明無論憋尿還是飲水都會對人體水合狀態(tài)產生影響，進而導致全身水分變化，最終影響B(tài)IA身體成分測試結果，并且在憋尿時的影響更顯著。從而進一步印證了在排空時BIA體成分測試的結果信度和效度更好。

綜上所述，膀胱充盈狀態(tài)對人體總水分的影響顯著大于胃充盈狀態(tài)，排空時BIA法體成分測試結果較為準確。因此建議在使用BIA進行體成分測試前，應排空膀胱或禁水以減少與實際值的差值。

3.3 局限性

本文僅對青年健康男性進行不同充盈狀態(tài)下BIA體成分測試，未來可針對不同年齡、性別、肥胖程度開展BIA體成分對比實驗，為改進BIA測量方程式、設定更精確的測量程序提供理論和實踐依據。

4 結論與建議

水合狀態(tài)對BIA測量結果有顯著影響，膀胱充盈狀態(tài)時影響最大、胃充盈時次之、排空時影響最小。排空時，BIA測量結果與DEXA測量結果一致性最高。

建議采用BIA方法測試體成分前應要求受試者空腹、排空并限制飲水。