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易科泰能量代謝測量技術(shù)—人體能量代謝測量
發(fā)布時間： 2020-04-29 點(diǎn)擊次數(shù)： 2766次*，人體能量代謝率監(jiān)測是研究人體新陳代謝與健康醫(yī)學(xué)的一個重要方面，而且影響代謝率測量效果的因素非常多。盡管市面上有大量的能量代謝儀，但對科研工作者來說，普遍存在分辨率低、系統(tǒng)誤差高、儀器硬件或軟件透明性、兼容性差等問題，因而難以滿足人體這個復(fù)雜系統(tǒng)中非常細(xì)微的能量消耗、能量投入（Cost of energy）等*代謝監(jiān)測。
由北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司提供的SSI高分辨率能量代謝測量技術(shù)可以監(jiān)測耗氧量VO2、二氧化碳排出量VCO2、*耗氧量VO2max、厭氧閥值（AT）、凈能消耗（NMR）、靜息代謝率（RMR）、移動能量投入（COT）等多項指標(biāo)，以及靈活組合搭配各類系統(tǒng)模塊（如高壓氧、海拔模擬、重力模擬、活動監(jiān)測等），可與其它系統(tǒng)（如熱成像、光譜成像、運(yùn)動視頻分析等）進(jìn)行大數(shù)據(jù)交互處理分析，廣泛應(yīng)用于環(huán)境醫(yī)學(xué)、運(yùn)動生理學(xué)研究、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)與臨床研究、康復(fù)及健身的評估、營養(yǎng)干預(yù)、老年醫(yī)學(xué)、慢性病研究等多個領(lǐng)域。
典型案例1
Four-week cold acclimation in adult humans shifts uncoupling thermogenesis from skeletal muscles to brown adipose tissue[J]. Daoud, Amani, Harper, et al. Journal of Physiology, 2017.
加拿大謝爾布魯克大學(xué)醫(yī)院研究中心醫(yī)學(xué)系、加拿大渥太華大學(xué)健康科學(xué)學(xué)院、渥太華蒙福醫(yī)院研究所等單位研究認(rèn)為，人類急性寒冷暴露期間的肌肉熱發(fā)生不僅僅限于顫抖，還包括質(zhì)子泄漏的冷誘導(dǎo)增加。肌肉氧化磷酸化的效率隨著冷適應(yīng)而提高，這表明減少質(zhì)子泄漏可減少肌肉熱生成。此外，隨著BAT容量和活性的增加，顫抖強(qiáng)度降低。這些變化發(fā)生在全身熱生成中沒有凈差異。文中實驗采用一種可持久進(jìn)行的帶水汽稀釋校正的間接熱量測量系統(tǒng)（SSI面罩式能量代謝）測量各代謝參數(shù)，并應(yīng)用性的背景基線技術(shù)校正分析儀的漂移，得到人體蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪的氧化速率。
顫抖強(qiáng)度與人體代謝產(chǎn)熱之間的關(guān)系
類似的研究，Shivering modulation in humans: Effects of rapid changes in environmental temperature[J]. Imbeault, Marie-Andrée, Mantha, Olivier L et al., Journal of Thermal Biology, 2013, 38(8):582-587.
在寒冷暴露期間，熱產(chǎn)量的增加是通過激活顫抖的熱發(fā)生和無顫抖熱發(fā)生而產(chǎn)生的，前者是非適應(yīng)性人類補(bǔ)償熱產(chǎn)生的主要因素。在大鼠身上，已經(jīng)證明顫抖的熱發(fā)生*由皮膚熱受體調(diào)節(jié)，但這種調(diào)制尚未在人類身上研究。
加拿大渥太華大學(xué)健康科學(xué)學(xué)院科研人員利用SSI高分辨率人體能量代謝測量技術(shù)，以及使用液體空調(diào)服，讓6名未適應(yīng)的男性暴露于寒冷（6℃）中30分鐘，每個男性分開熱暴露（33℃）15分鐘。在整個暴露過程中，核心溫度保持穩(wěn)定，而與基線相比，連續(xù)冷熱暴露期間皮膚溫度平均顯著下降12%。在6℃暴露期間，抖動強(qiáng)度和代謝率顯著增加。*重要的是，在33℃的接觸中，盡管皮膚溫度通常保持在基線值以下，但顫抖可以迅速而強(qiáng)烈地受到抑制。
人體能量代謝與核心體溫、體表溫度、顫抖強(qiáng)度的相互關(guān)系
典型案例2
Energy cost of ambulation in trans-tibial amputees using a dynamic-response foot with hydraulic versus rigid ‘ankle’: insights from body centre of mass dynamics[J]. Askew, Graham N, McFarlane, Laura A, Minetti, et al, Journal of Neuroengineering & Rehabilitation, 2019, 16(1).
運(yùn)動動力學(xué)中的不對稱可能需要更高的代謝成本維持運(yùn)動。降低運(yùn)動代謝成本和*化步態(tài)對稱性一直是，而且仍然是假肢設(shè)計發(fā)展的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。可以說，*重要的假肢開發(fā)是引入動態(tài)反應(yīng)腳（DRF）：有時被稱為“能量儲存和提供”智能足具。
英國利茲大學(xué)生物醫(yī)學(xué)學(xué)院、意大利米蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)和移植系、英國布拉德福德大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系等單位利用SSI能量代謝測量技術(shù)監(jiān)測佩戴假肢參與者的靜息氧氣消耗和二氧化碳產(chǎn)量，以及不同行走速度、不同姿勢角度的代謝參數(shù)。實驗測試中的呼吸交換比率（RER）均小于1，表示有氧代謝，并用來評估人體移動的能量投入成本，得到人體運(yùn)動、穩(wěn)態(tài)、站立能量代謝率，以及人體運(yùn)動的靜能值和比率。
研究結(jié)果表明，使用含有小型被動液壓腳踝裝置的DRF將改善代謝能量消耗和運(yùn)動學(xué)，因此應(yīng)能為單側(cè)脛骨截肢患者的日常運(yùn)動提供臨床上的科學(xué)指導(dǎo)，尤其是那些需要以各種速度和不同地形行走的人。
人體足部安裝腳踝在不同速率和不同角度移動下的能量代謝投入成本
典型案例3
Effects of stride frequency and foot position at landing on braking force, hip torque, impact peak force and the bolic cost of running in humans[J]. Lieberman D E , Warrener A G , Wang J , et al. Journal of Experimental Biology, 2015, 218(21):3406-3414.
美國哈佛大學(xué)人類進(jìn)化生物學(xué)系科研人員利用SSI能量代謝測量技術(shù)在一個溫度和濕度恒定的密閉房間內(nèi)測量14個年齡從19歲到48歲的男女個體不同步頻的運(yùn)動能量成本。系統(tǒng)設(shè)置100 Hz測量氧氣分壓，根據(jù)實時記錄數(shù)據(jù)曲線得到靜息站立代謝率、靜氧氣消耗量Net V?O2、移動能量投入（Cost of transport，COT, ml O2 kg-1 m-1）等多個代謝參數(shù)。
研究結(jié)果表明，跑步者可能受益于大約85步/分鐘步幅頻率，并且在擺動階段結(jié)束時以相對垂直的脛骨狀態(tài)著陸。這種頻率不僅*小化能量消耗成本，而且影響運(yùn)動學(xué)的方式可能與某些傷害有關(guān)。
步幅頻率變化對移動能量投入的影響（A）測量步幅頻率 （SF） 和 COT（r=0.93， P=0.02） 之間有U形關(guān)系；（B）根據(jù)測量的 SF（r=0.97， P<0.0001） 對標(biāo)準(zhǔn)化制動脈沖的受試者平均值的回歸，以及針對測量 SF的標(biāo)準(zhǔn)化 MHFM（r=0.98， P<0.0001）。（C）所有受試者的預(yù)測與觀察到的代謝*步幅頻率（OSF）。
典型案例4
Greater energy demand of exercise during pregnancy does not impact mechanical efficiency，Denize K M, Akbari P, da Silva D F, et al. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism, 2019.
美國婦產(chǎn)科學(xué)院和加拿大的婦產(chǎn)科醫(yī)生協(xié)會發(fā)表了*的孕婦活動指南，建議孕婦進(jìn)行150分鐘中等強(qiáng)度運(yùn)動以減少妊娠并發(fā)癥，有利于母體和嬰兒的健康。然而懷孕（嬰兒作為特殊負(fù)重）是如何影響孕婦的能量投入、活動體能和機(jī)械效率的卻了解很少。該研究通過FMS便攜式能量代謝儀來定量化不同運(yùn)動程序的能量消耗和機(jī)械效率。
上圖左為對照個體、孕早期、孕中期、孕后期的靜息能量消耗比較，上圖右對照個體、孕早期、孕中期、孕后期個體在21分鐘標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動任務(wù)后的活動能量消耗情況。*表明結(jié)果有顯著性差異。
本研究創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)，1）孕期運(yùn)動時間的能量需求與體重增加成正比；2）在低到中等強(qiáng)度的步行過程中機(jī)械效率保持不變。
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