空氣置換法、電阻抗法與雙能射線法檢測中國運(yùn)動員體脂百分比的比較研究

王貝 王晨 侯彬 任雪 王永梅 葉晶龍 王道 錢風(fēng)雷

1 上海體育科學(xué)研究所（上海市反興奮劑中心）（上海200030）

2 上海體育職業(yè)學(xué)院（上海200237）

準(zhǔn)確測量身體成分，尤其檢測體脂百分比，對于個人的健康評估及制定相應(yīng)的干預(yù)方案十分重要。對于運(yùn)動員來說，身體成分的定期測定是達(dá)到并維持理想身體狀況和制定個體化飲食方案及訓(xùn)練計(jì)劃的基本依據(jù)。目前，水下稱重被認(rèn)為是測量體脂的金標(biāo)準(zhǔn)方法，但是要求受試者身體測量時完全處于水下，過程復(fù)雜且不易操作。由于水下稱重法的局限性，目前研究者最常用的另一種金標(biāo)準(zhǔn)方法是雙能射線法（dual-ener?gy X-ray absorptiometry，DXA）。DXA利用X射線通過骨骼、肌肉和脂肪等不同物質(zhì)時衰減的不同程度來估算各個物質(zhì)的量。研究顯示DXA 方法可精確估算身體成分，甚至有時比水下稱重法更為可靠[1]。但是DXA法也有一定局限性，因?yàn)槭褂玫碾p能射線會讓受試者受到少量的輻射并且測試者需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能進(jìn)行儀器的操作。而BOD POD 空氣置換法身體成分分析儀克服了水下稱重法和DXA 法存在的弊端，通過測量身體的體積和重量來估測身體密度，然后根據(jù)內(nèi)置的Siri[2]和Brozek[3]公式計(jì)算體脂百分比。BOD POD 對受試者限制很少，受試者只需著少量緊身衣物靜坐于測試艙內(nèi)正常呼吸即可完成測試。測試者也只需接受一定培訓(xùn)即可操作儀器，并且每次測試耗費(fèi)極少。因此，BOD POD 正被國外學(xué)者越來越多地應(yīng)用于身體成分的日常測試和研究項(xiàng)目中。電阻抗法是另外一種常見的身體成分測試方法。由于身體組織中的水分可導(dǎo)電，因此測量身體的電阻抗可間接獲得身體水分含量進(jìn)而推算出身體成分。一般的電阻抗法儀器采用單頻交流電，然后通過內(nèi)置的專用算法公式獲得身體成分的估測值，而這些公式會根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)總結(jié)的年齡、性別、人種和體型對身體成分的不同影響程度對測量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但對于那些身體成分并不完全遵循這些常見規(guī)律變化的人群，所得到的估測值就不能反映其真實(shí)的身體成分。InBody（BiospaceCo.，Ltd.，Korea）系列的電阻抗法儀器采用多頻交流電測量人體5 個部分（軀干和四肢）的電阻抗以及全身水分的分布情況，從而直接推算出身體成分情況，不受任何實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)公式的影響。電抗阻法測量身體成分易于操作、無創(chuàng)傷、耗時短，在某些人群中InBody測試結(jié)果與水下稱重法和DXA高度相關(guān)[4-7]。

雖然國外有很多研究比較了空氣置換法和電阻抗法相對于DXA 在身體成分測試方面的有效性，但是絕大多數(shù)用于估測體脂含量的公式基于高加索人種樣本[2，3]，而其它人種生理解剖差異性必將造成這些身體成分評估公式的不準(zhǔn)確性。除此之外，大多數(shù)研究測試的是正常身材的人群和肥胖人群[8-11]，少有針對運(yùn)動員進(jìn)行的身體成分測試有效性分析。Vescovi等[12]提出在低體脂人群中進(jìn)行評價(jià)BOD POD 準(zhǔn)確性和可重復(fù)性研究的必要性。運(yùn)動員不同于常人的骨骼肌肉情況，會影響去脂體成分的密度，而去脂體成分密度是影響通過身體密度估測體成分的主要限制因素之一。本研究以DXA 方法為標(biāo)準(zhǔn)對照，探討空氣置換法和電阻抗法估測中國運(yùn)動員不同身體質(zhì)量指數(shù)（body mass in?dex，BMI）人群體脂含量的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，為運(yùn)動員群體體成分測試評估方法的選擇提供參考依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究從當(dāng)?shù)伢w育院校和職業(yè)運(yùn)動隊(duì)招募了111名上海籍運(yùn)動員進(jìn)行測試，其中男性63人，女性48人，包括田徑、跆拳道、拳擊、射擊射箭、體操、曲棍球、自行車、手球和舉重等項(xiàng)目，訓(xùn)練年限均在5年以上。受試對象基本信息見表1。另選8名非運(yùn)動員受試者（5男3女，平均年齡30.13 ± 1.65 歲，BMI 23.39 ± 1.87 kg/m2）參與儀器的可靠性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。受試者參加測試前均仔細(xì)閱讀過《受試者須知》并同意遵守測試要求。所有測試在上海體育科學(xué)研究所的體質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。受試者被要求測試前晚8 點(diǎn)后不再進(jìn)行任何運(yùn)動，不攝入酒精類和咖啡因類飲料；晚12點(diǎn)以后除了飲水不再進(jìn)食，早上6點(diǎn)以后開始停止攝入水分。

表1 受試對象基本信息（ ± s）

表1 受試對象基本信息（ ± s）

男（n=63）女（n=48)年齡(yrs)20.58 ± 2.91 19.77 ± 2.02身高（cm）182.05 ± 9.73 168.84 ± 7.17體重（kg）82.62 ± 19.39 59.70 ± 10.65 BMI（kg/m2）24.83 ± 0.62 20.87 ± 0.43腰圍（cm）83.81 ± 13.33 72.91 ± 7.48空腹血糖（mmol/L）4.64 ± 0.44 4.69 ± 0.40

1.2 儀器與方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1.1 DXA

身體成分的標(biāo)準(zhǔn)測量儀器采用DXAProdigy/DPX系 列（GE Medical Systems- Lunar， Madison， WI USA）。測試前所有受試者被要求取下身上所有金屬配件以免干擾X射線的檢測。測試前的校準(zhǔn)和測試步驟均根據(jù)廠家說明書進(jìn)行。

1.2.1.2 BOD POD

空氣置換法的實(shí)驗(yàn)測量儀器采用BOD POD Gold Standard Model 2007A （COSMED USA，Inc.Concord，California USA），所使用的軟件版本為5.2.0。每個測試日所有測試前，經(jīng)過儀器操作培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)員都會使用儀器自帶的50 升圓柱體進(jìn)行儀器校正。為了最小化衣服和頭發(fā)裹住的空氣可能帶來的測量誤差，所有受試者均被要求著緊身游泳衣或健身服和游泳帽。長發(fā)的女性受試者被要求盤起頭發(fā)并全部裹在游泳帽中。測試時室溫控制在20℃～25℃之間，所有測試均嚴(yán)格按照BOD POD標(biāo)準(zhǔn)要求步驟進(jìn)行操作。

1.2.1.3 InBody720

電阻抗法使用InBody720（BiospaceCo.，Ltd.，Ko?rea）。所有受試者被要求測試時光腳站立于測試臺上，兩手握緊手柄，身體直立，兩臂自然放松下垂于身體兩側(cè)。所有測試均嚴(yán)格按照InBody720 標(biāo)準(zhǔn)要求步驟進(jìn)行操作。

1.2.2 測試方法

1.2.2.1 儀器重復(fù)性檢驗(yàn)（Reliability）

8 名非運(yùn)動員受試者參與了儀器的可靠性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。每人在同一天內(nèi)分別使用BOD POD和InBody720各進(jìn)行5 次測試。由于DXA 具有一定放射性，除2 名受試者因身體原因未進(jìn)行測試外，其他6 名受試者各進(jìn)行了3次測試。同一個受試者的所有重復(fù)測試均在2小時內(nèi)完成，并且同一測試均由一名固定實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行操作。儀器測量的可靠性通過計(jì)算反復(fù)測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差（S.D.）和變異系數(shù)（CV：%）進(jìn)行評估。

1.2.2.2 身體成分測試

每個測試日早上7:30～8:00 開始測試，測試前所有受試者被要求排空尿液，然后使用強(qiáng)生穩(wěn)豪倍易型血糖儀[OneTouch UltraEasy，強(qiáng)生（上海）醫(yī)療器材有限公司]進(jìn)行血糖測試以確認(rèn)是否空腹。所有受試者的身高均由同一實(shí)驗(yàn)人員使用身高測量標(biāo)尺統(tǒng)一進(jìn)行兩次光腳測量（精確到0.1 cm），取平均數(shù)。所有受試者的腰圍也由同一實(shí)驗(yàn)人員使用卷尺繞肚臍一周測量3次取平均值（精確到0.1 cm），該測量方法相對最容易操作，并且方便測量保持一致性[13，14]。然后分別使用In?Body720、DXA 和BOD POD 進(jìn)行身體成分的測試。BMI（Body Mass Index）的計(jì)算公式如下：BMI=體重（kg）/身高（cm）2，體重統(tǒng)一采用DXA所測值。根據(jù)BMI將受試者分為3 組：低BMI 組（BMI＜18.5）、正常BMI 組（18.5≤BMI≤24.99）和高BMI 組（BMI≥25）。對于大多數(shù)受試者，BOD POD 測得的身體密度數(shù)據(jù)經(jīng)由Siri 公式轉(zhuǎn)化為體脂百分比[2]。對于BMI＜18 或BMI＞29 的受試者，身體密度數(shù)據(jù)經(jīng)由Brozek 公式轉(zhuǎn)化為體脂百分比[3]。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS Ver.22.0 統(tǒng)計(jì)軟件包對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。3個不同BMI組分別使用配對t檢驗(yàn)對3種儀器測得的體脂百分比進(jìn)行兩兩比較。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）檢驗(yàn)3 種儀器測量體脂百分比間的一致性。采用Bland-Altman差值法分析圖分別對BOD POD 和InBody720 數(shù)據(jù)與DXA 進(jìn)行比較。P＜0.05為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DXA、BOD POD和InBody720估測體脂百分比的重復(fù)性檢驗(yàn)

如表2所示，3種儀器各自重復(fù)測試所得的體脂百分比間無顯著差異。DXA重復(fù)測試的變異系數(shù)均值為1.14%，BOD POD 為3.47%，InBody720 為1.65%，3 種儀器均能可靠估測體脂百分比。值得注意的是，BOD POD 所測的8個受試者中有兩名受試者的變異系數(shù)明顯高于其它數(shù)值，其對應(yīng)的BOD POD所測的體脂百分比明顯低于其他受試者的數(shù)值。因此，我們以BOD POD 體脂百分比為自變量，變異系數(shù)為因變量做線性回歸圖（圖1），結(jié)果顯示兩者間的決定系數(shù)（r2）可達(dá)

圖1 8名受試者使用BOD POD連續(xù)5次測定體脂百分比所得變異系數(shù)與體脂百分比間的線性關(guān)系

表2 3種儀器的重復(fù)性檢驗(yàn)

0.90。

2.2 以DXA 為標(biāo)準(zhǔn)儀器，BOD POD 和InBody720 估測體脂百分比的準(zhǔn)確性檢測

根據(jù)BMI 值劃分不同組，受試者在每組中使用不同儀器測得的體脂百分比見表3和表4。

配對t檢驗(yàn)結(jié)果中，運(yùn)動員使用3種不同儀器測得的體脂百分比在3 個BMI 區(qū)間配對的相關(guān)系數(shù)（paired samples correlations）均顯示兩兩顯著相關(guān)，除了在BMI＜18.5 的低體重區(qū)間，BOD POD的數(shù)據(jù)與In?Body720的數(shù)據(jù)未見顯著相關(guān)（P＝0.145）（表3）。與之相對應(yīng)的，組間一致性檢驗(yàn)結(jié)果同樣顯示3 種儀器在不同BMI 區(qū)間兩兩比較時均顯著相關(guān)，ICC 范圍為0.817～0.937，除了當(dāng)BMI＜18.5 時，BOD POD 和In?Body720 間的ICC 值為0.545，無 顯 著相關(guān)性（P＝0.065）。當(dāng)BMI＜18.5時，BOD POD所測得體脂百分比顯著低于DXA（平均差值3.64%，t＝5.59，P＝0.001，95%CI＝2.10～5.18）和 InBody720（t＝3.782，P＝0.007，95%CI＝1.34～5.83），InBody720 與DXA 數(shù)據(jù)間無顯著性差異（平均差值0.05%，P＝0.946）。當(dāng)18.5≤BMI＜25 時，BOD POD 所測得體脂百分比顯著低于DXA（平均差值3.07%，t＝9.36，P＜0.001，95%CI＝2.42～3.73）和InBody720（t＝6.74，P＜0.001，95%CI＝1.99～3.66），InBody720 與DXA 數(shù)據(jù)間無顯著性差異（平均差值0.25%，P＝0.471）。當(dāng)BMI≥25 時，BOD POD（平均差值3.25%，t＝5.93，P＜0.001，95%CI＝2.11～4.38）和InBody720（平均差值3.39%，t＝5.09，P＜0.001，95%CI＝2.01～4.77）所測得體脂百分比均顯著低于DXA，而BOD POD 和InBody720 數(shù)據(jù)間無顯著差異性（P＝0.806）。獨(dú)立t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，BOD POD 和DXA 所測數(shù)據(jù)間的差異在不同BMI 組間無顯著性差異，而InBody720和DXA 所測數(shù)據(jù)間的差異在BMI≥25時顯著高于BMI＜18.5（P＝0.003）和18.5≤BMI＜25（P＜0.001）兩個區(qū)間，后兩個區(qū)間之間沒有顯著性差異。

表3 運(yùn)動員使用3種不同儀器測試的體脂百分比（%）[ ± s（min～max）]

表3 運(yùn)動員使用3種不同儀器測試的體脂百分比（%）[ ± s（min～max）]

BMI DXA BOD POD InBody720低BMI（n＝8）17.54 ± 0.26（16.26～18.41）14.85 ± 1.26（10.4～21.5）11.21 ± 0.85（9.1～16.6）14.80 ± 1.12（10.3～18.3）正常BMI（n＝80）21.66 ± 0.21（18.52～24.92）15.61 ± 0.81（4.6～29.6）12.53 ± 0.73（1.0～25.4）15.36 ± 0.70（4.3～28.9）高BMI（n＝23）30.14 ± 1.02（25.27～40.47）27.08 ± 1.61（13.2～41.7）23.83 ± 1.47（9.3～37.1）23.69 ± 1.50（12.0～37.8）

將所有BMI 組的數(shù)據(jù)綜合在一起，使用Bland－Altman差值法分析圖可觀察BOD POD或InBody720數(shù)據(jù)相對于DXA數(shù)據(jù)的偏差（圖2～圖3）。分析圖結(jié)果顯示，無論體脂百分比多少，BOD POD 均傾向于低估受試者的體脂百分比；而InBody720傾向于低估高體脂人群的體脂百分比。

圖2 Bland-Altman差值法分析圖顯示運(yùn)動員使用BOD POD測試體成分與DXA間的偏差

圖3 Bland-Altman差值法分析圖顯示運(yùn)動員使用InBody720測試體成分與DXA間的偏差

3 討論

本研究檢測了使用空氣置換法的BOD POD 和電阻抗法的InBody720相對于雙能射線法的DXA 在測量中國受試者體脂百分比時的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示，BOD POD 多次重復(fù)測試體脂百分比一致性高，但當(dāng)受試者體脂百分比偏低時，一致性降低。這與測試時的情況一致，在測試多個體脂低于10%的男性受試者時，BOD POD 時常需多次測量才可獲得有效數(shù)據(jù)，個別體脂特別低的男性運(yùn)動員受試者甚至無法使用BOD POD 測得體脂百分比。BOD POD 與DXA 各自測得的數(shù)據(jù)在運(yùn)動員所有BMI的分組組別中均呈顯著相關(guān)性，具有一定的準(zhǔn)確性，但是，與DXA 相比，BOD POD在所有組別中顯著低估了體脂百分比。

BOD POD 與DXA 測量體脂百分比存在差異的部分原因可能是由于各自內(nèi)置的計(jì)算方程式的不同推算原理。BOD POD 使用二室模型（two compartment model）來計(jì)算體成分，二室模型把人體劃分為兩部分：脂肪和非脂肪組織。非脂肪組織包括骨骼、水分、肌肉、血管、結(jié)締組織及其它。BOD POD 假設(shè)這些組織在人體中的比例是一定的，因此非脂肪組織的密度定為1.1 g／ml，脂肪組織密度為0.9 g／ml，然后根據(jù)內(nèi)推公式計(jì)算體脂百分比。而DXA 額外測量了實(shí)際骨密度，因此估測的體脂百分比會異于BOD POD。國外也有文獻(xiàn)報(bào)道BOD POD 與DXA 測得的體脂百分比有顯著差異，但是BOD POD顯著高估了低體脂受試者的體脂百分比和顯著低估了高體脂受試者的體脂百分比[15]。而我們的結(jié)果是BOD POD 顯著低估了所有BMI組別運(yùn)動員的體脂百分比，尤其是對于體脂很低的受試者，BOD POD的重復(fù)可靠性和一致性降低。一方面可能由于內(nèi)置方程式不能很好適用于體脂很低的受試者；另一方面可能由于人種差異。國外文獻(xiàn)使用BOD POD 檢測的大多是白色人種和黑色人種的體脂百分比，BOD POD 內(nèi)置的Siri 和Brozek 方程式均是以白色人種為測試對象建立的推算公式，Siri針對的是一般體型的人群，Brozek 針對的是BMI＜18 或BMI＞29 的受試者。另外還有3 種可供選擇的方程式，一個適用于黑色人種男性（Schutte），一個適用于黑色人種女性（Or?tiz），還有一個適用于≤17 歲的白色人種未成年人（Lohman）。因此，BOD POD目前使用的內(nèi)推公式可能并不能很好地適用于我們實(shí)驗(yàn)中所測試的黃色人種受試者。人種間骨礦物含量、肌肉量、水分等各物質(zhì)的差異都有可能造成BOD POD 對體脂百分比估測的偏離。Modlesky等[16]發(fā)現(xiàn)，肌肉發(fā)達(dá)的青年白種男性使用BOD POD 內(nèi)置的Siri 方程式高估了體脂百分比，原因在于較多的肌肉導(dǎo)致體內(nèi)水分較多，進(jìn)而使非脂肪組織中骨礦鹽和蛋白質(zhì)的比例降低，非脂肪組織的密度偏小。由于Siri 和Brozek 方程式假設(shè)體脂的密度為0.9 g／ml，而非脂肪部分密度為1.1 g／ml，肌肉發(fā)達(dá)造成實(shí)際非脂肪組織密度小于1.1 g／ml，因此Siri 和Brozek 方程式推算出的體脂百分比偏高。Wagner 等[17]發(fā)現(xiàn)黑種人的骨礦鹽和鈣質(zhì)高于白種人，所以黑種人的骨密度較高，加上非脂肪中蛋白質(zhì)含量高從而非脂肪組織的密度高，大于1.1 g／ml，因此使用BOD POD的Siri和Brozek公式計(jì)算體脂百分比偏低。本實(shí)驗(yàn)中，由于運(yùn)動員受試者中有各種不同運(yùn)動專項(xiàng)，包括射擊射箭、投擲、拳擊、跆拳道、曲棍球、自行車、手球、舉重和體操等，運(yùn)動員的肌肉發(fā)達(dá)程度不一，故無法統(tǒng)一檢測發(fā)達(dá)的肌肉對BOD POD測量體脂百分比的影響，但運(yùn)動員受試者的測試結(jié)果與我們之前測過的非運(yùn)動員受試者相比并無顯著區(qū)別。本研究受試者均為黃種人，目前尚無文獻(xiàn)比較黃種人和其他人種身體成分的區(qū)別。但因中西方飲食和運(yùn)動習(xí)慣的不同，我們推測黃種人的肌肉量低于白種人，所以組織中的水分少，骨礦鹽和蛋白質(zhì)的比例增加，從而非脂肪組織的密度高于1.1 g／ml，因此造成使用BOD POD 的Siri 或Brozek公式估算的體脂百分比偏低。

InBody720多次重復(fù)測試體脂百分比一致性高，且與DXA各自測得的數(shù)據(jù)在運(yùn)動員受試者所有BMI的分組組別中均呈顯著相關(guān)性，具有較高準(zhǔn)確性。但是，與DXA相比，InBody720顯著低估了高BMI運(yùn)動員（BMI≥25）的體脂百分比。對于低BMI和正常BMI的運(yùn)動員，InBody720與DXA數(shù)據(jù)相關(guān)性較高。因此，本研究結(jié)果顯示InBody720 在測體脂低的運(yùn)動員受試者時與DXA有著較高的相關(guān)性，但是會低估體脂高的受試者的體脂百分比。這個結(jié)論與國外一些文獻(xiàn)研究結(jié)果較一致[18，19]。Faria 等[20]使用Bland-Altman 差值法分析圖發(fā)現(xiàn)InBody720 趨向于低估肥胖人群的體脂百分比。Esco等[21]測試女性大學(xué)運(yùn)動員時也發(fā)現(xiàn)InBody720 顯著低估了她們的體脂百分比（3.33%），但該研究中女性受試者的平均體脂百分比為25%，接近于本研究測試的高BMI組，因此同樣反映了InBody720傾向于低估體脂較高的人群的體脂百分比。其原因可能在于體脂高的人群體重和導(dǎo)電性的不匹配和其身體細(xì)胞內(nèi)外水分的改變[22]。InBody720所依據(jù)的電阻抗法是基于人體內(nèi)的水分具導(dǎo)電性。其通過測量人體的電阻抗來估測水分的含量，前提是假定肌肉的73%成分是水，然后通過經(jīng)驗(yàn)證的推導(dǎo)方程和參考值計(jì)算出非脂肪質(zhì)量和體脂質(zhì)量。體脂高的人群很可能由于其身體水分含量高于體脂低的人群，從而可能造成InBody720的推導(dǎo)方程不太適用于此人群。

4 結(jié)論

4.1 BOD POD測量體脂百分比具有一定的準(zhǔn)確性，但對于體脂很低的受試者可重復(fù)性差。與DXA 相比，BOD POD顯著低估了體脂3%～5%。

4.2 InBody720 測量體脂百分比重復(fù)準(zhǔn)確性較高。與DXA相比，InBody720可有效檢測低BMI和正常BMI運(yùn)動員的體脂百分比，但會低估高BMI人群的體脂百分比。

4.3 對于運(yùn)動員身體成分的日常監(jiān)控，測量快捷、無創(chuàng)傷、相對便宜的InBody720可作為可靠有效的測試儀器；BOD POD由于其易于操作并且耗費(fèi)較少也可以作為可靠的監(jiān)控儀器，但對于體脂低的人群要謹(jǐn)慎使用。

4.4 對于需準(zhǔn)確測量身體成分的科研或評估工作，低BMI 和正常BMI 的運(yùn)動員可用InBody720 進(jìn)行體成分的測試；高BMI 的運(yùn)動員建議使用DXA 測試體脂百分比。