Современные методы измерения суточных энерготрат, используемые при оценке пищевого статуса

Резюме

Измерение суточных энерготрат имеет большое значение в таких областях исследований, как питание, медицина, спорт, физическая активность, образ жизни и т.д. Статья посвящена обзору основных методов измерения энерготрат: прямая калориметрия, метод меченой воды, непрямая калориметрия, пульсометрия и акселерометрия. Наиболее информативным подходом для оценки суточных энерготрат является сочетание непрямой калориметрии, пульсометрии и акселерометрии.

Ключевые слова:методы измерения, энерготраты, пищевой статус организма

Как известно, при разработке рационального питания важное место занимают меры обеспечения баланса энергии, потребляемой с пищей, и энерготрат [2-4, 19, 46].

Суточные энерготраты человека складываются из трех величин: основного обмена, расхода энергии на усвоение пищи и энерготрат на выполнение физической работы. Если для измерения основного обмена используются точные методы, включая расчетные, при которых учитываются масса тела, рост, возраст и пол людей, то величина пищевого термогенеза часто рассчитывается эмпирически, приблизительно, в пределах 10% от суточных энерготрат. При этом основная роль при измерении суточных энерготрат отводится оценке энерготрат, связанных с физической активностью.

В настоящее время для измерения энерготрат существуют разные методические подходы, причем каждый из них имеет свои преимущества и ограничения. Эти подходы подразумевают использование измерительной аппаратуры различной степени сложности и специальных программ обсчета полученных данных. Остановимся на некоторых из них.

Прямая калориметрия

Данным методом регистрируют тепло, излучаемое телом. Потери тепла за счет излучения и конвекции составляют почти 80% всех теплопотерь, остальное приходится на теплоту парообразования. Принципиально существуют три подхода применения прямой калориметрии: изотермальные калориметры [40], калориметры, регистрирующие теплоотведение [45], и конвекционные системы [39, 44]. Иногда могут использоваться сочетания этих методов.

В настоящее время разработаны новые калориметры, которые представляют собой специальную экипировку Sensewear [5], оснащенную датчиками теплопродукции, температуры и некоторыми другими сенсорами, определяющими параметры организма, связанные с энерготратами.

Вследствие того, что прямая калориметрия - длительный и трудоемкий метод, который вдобавок требует существенных финансовых затрат (в том числе приборное оснащение, специфическое обустройство помещения, подготовку и содержание специалистов), она находит применение только для стандартизации некалориметрических методов [23] и используется лишь в специализированных лабораториях крупных исследовательских центров.

Непрямая калориметрия

Данный метод основан на измерении концентрации кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе [16, 33]. В непрямой калориметрии большое значение имеет способ сбора выдыхаемого воздуха. Имеются различные приспособления для сбора выдыхаемого воздуха - загубники, маски, шлемы, камеры, комнаты [27, 42, 43].

Загубники из-за недостаточной комфортности и физиологичности обеспечивают длительность измерений не более 10-15 мин, зато абсолютная герметичность приспособления позволяет избежать ошибок измерения объема и скорости потока выдыхаемого воздуха. Маски и шлемы обеспечивают длительность измерений до часа и более, однако адаптация приспособлений к форме лица или головы диктует необходимость тщательного контроля герметичности.

В респираторной комнате или камере длительность измерений может достигать сутки и более. Точность измерений при этом сохраняется на максимально высоком уровне. Ошибка измерения не превышает 2%. Серьезным недостатком данной методики является то, что обеспечение привычного повседневного режима, воспроизведение или моделирование всего многообразия суточной физической активности, специфики трудовых операций часто невозможно в условиях современной жизни: ограниченного пространства, свободы передвижения, а также эмоционального напряжения.

В настоящее время для определения суточных энерготрат чаще всего применяется открыто циркулирующая система сбора выдыхаемого воздуха. Важное преимущество данного подхода заключается в том, что к настоящему времени разработаны портативные калориметры, позволяющие проводить многочасовую длительность измерений энерготрат в реальных условиях повседневной жизни [31, 35]. Как правило, эти калориметры оснащены загубниками или маской с односторонним клапаном, обеспечивающим анализ выдыхаемого воздуха по составу и объему.

Приборы, оснащенные программным обеспечением, позволяют определять метаболическую направленность энергообеспечения. Часто они именуются метаболографами. Принцип их работы построен на измерении дыхательного коэффициента (соотношение углекислого газа и кислорода в выдыхаемом воздухе), величина которого зависит от соотношения скорости окисления белков, жиров и углеводов. Это позволяет рассчитать долю белков, жиров и углеводов, участвующих в энергопродукции. К недостаткам этого метода следует отнести необходимость соблюдения стационарности во время измерения. Динамически меняющиеся нагрузки, резкие переходы от состояния покоя к нагрузке и, наоборот, кратковременные измерения, особенно при исполнении интенсивных упражнений, существенно влияют на соотношение углекислого газа и кислорода в выдыхаемом воздухе и могут привести к значительным ошибкам метаболических расчетов.

Следует отметить, что непрямая калориметрия обеспечивает достаточную точность измерения энергетической стоимости отдельных трудовых операций, которые нужны при вычислении суточных энерготрат. Как правило, это измерения типичных примеров профессиональной или бытовой деятельности, из которых складывается профиль поведения на работе и в свободное от работы время. Чтобы осуществить расчет суммарных энерготрат, необходимо провести хронометраж физической активности, т.е. оценить вклад каждого вида физической нагрузки по времени. Однако ошибка проведения самого хронометража может составлять 10-15% и более, в зависимости от способа его проведения, особенностей распределения физической активности в течение суток, формы опросной карты, наконец, способа преобразования данных хронометража в величины энерготрат и многих других факторов. Таким образом, точность оценки суточных энерготрат методом непрямой калориметрии в значительной мере зависит от точности проведения хронометража.

Метод оценки энерготрат с использованием воды, меченной стабильными изотопами (2Н218О)

В методе двоякомеченной воды используется вода, содержащая стабильные изотопы 2H218O.

Кинетика выведения меченой воды из организма позволяет определить расход энергии. Принцип метода заключается в следующем: [18О] выводится из организма не только с водой, но и с выдыхаемым СО2, а дейтерий [2Н] - только в виде воды. При этом различие скоростей выведения меченого водорода и меченого кислорода определяется скоростью выведения СО2, величина которой напрямую связана с энергопродукцией.

Как правило, для измерения суточных энерготрат используется оральное введение меченой воды. Любая физиологическая жидкость может использоваться для анализа содержания 2H и 18O: плазма, слюна, моча, влага выдыхаемого воздуха и пр. В большинстве наблюдений, проводимых на людях, урина - наиболее предпочтительный материал для изотопного анализа.

Количество вводимой метки должно быть достаточно для обеспечения необходимой чувствительности измерений на протяжении всего эксперимента. При длительности эксперимента 10-14 сут оптимальная доза для взрослых составляет 0,3 г H218O кг-1 и 0,12 г 2H2O кг-1. Для проведения расчетов кинетики выведения необходимо иметь, как минимум, три временные точки измерения: до введения 2H218O, в начале и в конце измерения [14]. Для получения достоверных результатов суточных энерготрат период кинетического анализа должен составлять 2-3 нед [48].

В целом процедура не относится к инвазивным методам, практически не имеет ограничений применения и позволяет проводить исследования в свободном образе жизни и даже в таких видах физической активности, которые недоступны для других методов измерений. 2H218O-метод наряду с методом прямой калориметрии часто применяется в качестве стандарта для оценки точности, надежности и достоверности новых способов измерения энерготрат.

Однако указанный 2H218O-метод имеет некоторые ограничения:

1. Расчет энерготрат по кинетике выведения метки предполагает, что содержание воды в организме за период измерений не меняется. В большинстве случаев данное допущение выполняется. Изменение размера пула воды имеет место, например, у растущих детей. В таких случаях ошибка метода не превышает 1% от величины энерготрат [21, 49].

2. Ошибка 2H218O-метода при условии постоянства потоков H2O и СО2 находится в пределах 2% от величины суммарных энерготрат [15, 36].

3. У пациентов с острыми и хроническими заболеваниями, после хирургических операций или в процессе изнуряющих физических нагрузок постоянство потоков Н2О и СО2 может не соблюдаться. Но даже в этих случаях изотопный метод дает расхождение не более чем на 10% от калориметрических измерений [22, 41].

Пульсометрия Heart Rate (HR)

Между энергоемкостью физической нагрузки и активностью сердечной деятельности существует прямая зависимость. В основе ее лежит необходимость энергетического обеспечения физической деятельности, источником которого служит энергия метаболического окисления белков, жиров и углеводов. Интенсивность физической нагрузки задает темпы поставки кислорода, которые обеспечиваются рефлекторной регуляцией активности дыхания и сердечной деятельности. Пульс является определяющим показателем скорости кровотока и транспорта кислорода к мышцам.

Зависимость между частотой сердцебиений и энерготратами можно использовать для оценки энерготрат. В настоящее время существуют портативные HR-мониторы, которые позволяют регистрировать измерения на протяжении достаточно длительного времени - до нескольких суток и, что очень важно, при соблюдении обычных условий поведения как в быту, так и в профессиональной деятельности [6]. Немаловажное значение имеет программное обеспечение, в котором предусмотрено использование индивидуальных HR-EE калибровочных зависимостей для обсчета суточных энерготрат.

Преимущества использования пульсометрии для измерения энерготрат следующие. Во-первых, это абсолютно неинвазивный метод. Во-вторых, метод позволяет проводить измерения в естественных условиях практически без ограничений. Простота измерений и расчета энерготрат. Отсутствие необходимости хронометража физической активности обеспечивает относительно высокую точность оценки суточных энерготрат. Однако зависимость пульса от энерготрат не является линейной. Требуется проведение индивидуальных калибровок [10, 34]. Калибровка нужна еще и потому, что на характер зависимости может влиять положение тела, группа мышц, задействованных в выполнении физической активности и даже осанка [13]. На характер зависимости влияют физическая подготовка, тренированность, усталость и физическая активность в предшествующий период [20]. На пульс также могут существенно влиять эмоциональное состояние, некоторые заболевания, гормональный фон и медикаментозные воздействия [29]. Регистрацию пульса может исказить воздействие электромагнитного излучения, например, мощные электромоторы в метро, электричке, трамвае, троллейбусе и других видах общественного транспорта. К недостаткам метода следует также отнести ощущение дискомфорта при использовании клеящихся электродов и электродфиксирующих ремней, необходимость контроля надежности фиксации электродов на теле и достоверности регистрации кардиопульса. Однако результаты сравнения метода пульсометрии с методом меченой воды у детей и взрослых показали хорошую корреляцию. Ошибка определения энерготрат при использовании индивидуальных калибровочных кривых зависимости составляет около 5% [23, 29].

Акселерометрия

Сложная природа физической активности затрудняет ее измерение во всех аспектах и проявлениях [9, 38]. В современных исследованиях используются различные методические подходы для измерения физической активности. Неинструментальные методы включают проведение хронометража, самоотчеты, заполнение анкет, ведение журналов и дневников и т.д.

Хронометраж физической активности часто используется для оценки физической активности и энерготрат. В этом случае энергетический эквивалент каждого вида физической активности или измеряется, или определяется по таблицам энергетической стоимости типичных видов деятельности [7, 32]. Общие энерготраты рассчитываются как сумма произведений энергетической стоимости на соответствующую им продолжительность по времени [17].

Потенциально источником ошибок данного метода могут быть неточности определения продолжительности и энергостоимости операций, которые могут возникать при самостоятельном заполнении журнала респондентом, за счет недостаточного опыта интервьюеров, а также из-за того, что перечень трудовых операций в таблицах далеко не полностью охватывает все разнообразие современной жизнедеятельности [18].

Инструментальные методы измерения двигательной активности позволяют дать количественную характеристику физической активности и избежать субъективных ошибок, связанных с проведением хронометража. Среди методов кинематических измерений есть достаточно специфичные, которые используются в условиях ограниченного пространства, как например, радиолокационное слежение или видеосъемка [30, 37]. Однако в ряду детекторов физической активности абсолютную популярность исследователей получили акселерометры, позволяющие проводить испытания в условиях свободной жизни, в том числе во время полевых исследований.

Благодаря успехам развития технологии были получены портативные высокочувствительные акселерометры с большим объемом памяти и совершенным программным обеспечением [8, 26, 47]. На смену одномерным акселерометрам пришли трехмерные, обеспечивающие максимально точную регистрацию практически всех возможных видов движений, начиная от малоподвижного сидячего образа жизни до высокоинтенсивных видов деятельности [11, 28]. Большинство электронных акселерометров содержит пьезоэлектрический сенсор и сейсмическую массу. Во время измерения двигательной активности сейсмическая масса обеспечивает механический отклик, а пьезоэлемент преобразует его в электрический сигнал, величина которого пропорциональна активности движения. Большое преимущество также дает оснащение частотными фильтрами, позволяющими отсечь помехи, которые возникают, например, при пользовании общественным транспортом.

Современные технологические чипы, использующиеся в новом поколении приборов, в сочетании с адекватным программным обеспечением позволяют достигать высокие точность и воспроизводимость измерений, в результате чего достигается исчерпывающая информация о тонких различиях двигательной активности, например, возможность отличить активность в положении сидя от активности во время сна.

Сравнительные измерения энерготрат методами акселерометрии, двоякомеченной воды и непрямой калориметрии, выполненные на обширных группах детей и взрослых в различных исследовательских центрах, позволили получить убедительные результаты, свидетельствующие о совпадении величин энерготрат всеми используемыми методами при измерении стандартизованных нагрузок в лабораторных условиях, а также в условиях обычного поведения свободного образа жизни [11, 12, 24].

Таким образом, все методы измерения суточных энерготрат имеют свои достоинства и недостатки. Преимущества определяются главным образом возможностью проводить измерения в условиях свободной обычной жизни, не нарушая привычный распорядок дня, не внося дискомфорт, не влияя на психическое и физическое состояние. Недостатки чаще всего обусловлены ограничениями использования, недостаточным обеспечением точности, повторяемости, воспроизводимости.

Большое значение имеет соотношение возможностей и стоимости осуществляемых исследований, возможности проводить исследования в полевых условиях с привлечением значимого количества основных групп населения, позволяющих сделать статистически достоверные выводы. В настоящее время наиболее информативными, по всей видимости, являются исследования энерготрат, выполняемые с помощью комбинированных методов, которые сочетают в себе такие легкодоступные подходы измерений, как, например, непрямая калориметрия, пульсометрия, акселерометрия. Существенным является то обстоятельство, что при оценке пищевого статуса сочетание результатов биоимпедансных исследований и непрямой калориметрии позволяет с высокой степенью индивидуализации рассчитать удельную скорость окисления белков, жиров и углеводов [1-3] и соотнести их с данными фактического питания и привычных энерготрат.

Литература

1. Васильев А.В., Хрущева Ю.В., Мальцев Г.Ю. и др. // Бюл. экспер. биол. - 2008. - № 12. - С. 707-712.

2. Гаппаров М.М.Г. // Вопр. питания. - 1989. - № 6. - С. 4-8.

3. Гаппаров М.М.Г. // Вопр. питания. - 1999. - № 1. - С. 12-16.

4. Ainslie P.N., Reilly T., Westerterp K.R. // Sports Med. - 2003. - Vol. 33, N 9. - P. 683-698.

5. Andre D., Pelletier R., Farringdon J. et al. The development of the sensewear armband. A revolutionary energy assessment device to assess physical activity and lifestyle // Bodymedia white paper. - 2006.

6. Baker J.A., Humphrey S.J., Wolff H.S. // J. Physiol. - 1967. - Vol. 188, N 2. - P. 4-5.

7. Banerjee B., Khew K.S., Saha N. // J. Obstet. Gynaecol. Br. Commonw. - 1971. - Vol. 78, N 2. - P. 113-116.

8. Bassett D.R.Jr., Ainsworth B.E., Swartz A.M. et al. // Med. Sci. Sports Exerc. - 2000. - Vol. 32, N 9. - P. S471-480.

9. Bassett D.R. Jr. // Res. Q. Exerc. Sport. - 2000. - Vol. 71, N 2. - P. 3 0 - 3 6 .

10. Beghin L., Budniok T., Vaksman G. et al. // Clin. Nutr. - 2000. - Vol. 19, N 6. - P. 425-435.

11. Bouten C.V., Koekkoek K.T., Verduin M. et al. // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 1997. - Vol. 44. - P. 136-147.

12. Bouten C.V., Verboeket-van de Venne W.P., Westerterp K.R. et al. // J. Appl. Physiol. - 1996. - Vol. 81, N 2. - P. 1019-1026.

13. Bruce F.M., Floyd W.F., Ward J.S. // J. Physiol. - 1967. - Vol. 191, N 2. - P. 90-92.

14. Coward W.A. Energy expenditure: doubly labeled water. Encyclopedia of Human Nutrition / Ed. B. Caballero. - Maryland: Academic Press, 2005. - P. 1973-1979.

15. Coward W.A., Roberts S.B., Cole T.J. // Eur. J. Clin. Nutr. - 1988. - Vol. 42, N 3. - P. 207-212.

16. Cunningham J.J. // Nutrition. - 1990. - Vol. 6, N 3. - P. 222-223.

17. FAO/WHO. Energy and Protein Requirements. Report of a Joint FAO/WHO Ad Hoc Expert Committee. FAO Nutrition meetings Report Series, No. 52, Rome: FAO, 1973; WHO Technical Report Series, No. 522. - Geneva: WHO, 1973. - 102 р.

18. Ferro-Luzzi A., Scaccini C., Taffese S. et al. // Eur. J. Clin. Nutr. - 1990. - Vol. 44, N 1. - P. 7-18.

19. Goldberg G.R. Energy: Intake and Energy Requirements. Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition / Eds B. Caballero, P. Finglas, L. Trugo - Maryland: Academic Press, 2003. - P 2091-2098.

20. Hiilloskorpi H.K., Pasanen M.E., Fogelholm M.G. et al. // Int. J. Sports Med. - 2003. - Vol. 24, N 5. - P. 332-336.

21. Jensen C.L., Butte N.F., Wong W.W. et al. // Am. J. Physiol. - 1992. - Vol. 263, N 3, Pt 2. - P. R685-R692.

22. Jones P.J., Winthrop A.L., Schoeller D.A. et al. // Am. J. Clin. Nutr. - 1988. - Vol. 47, N 5. - P. 799-804.

23. Kashiwazaki H. // J. Nutr. Sci. Vitaminol. - 1999. - Vol. 45, N 1. - P. 79-94.

24. Lamonte M.J., Ainsworth B.E. // Med. Sci. Sports Exerc. - 2001. - Vol. 33, suppl. 6. - P. S370-378.

25. Levine J.A. // Public Health Nutr. - 2005. - Vol. 8, N 7A. - P. 112 3 -113 2 .

26. Levine J.A., Baukol P.A., Westerterp K.R. // Med. Sci. Sports Exerc. - 2001. - Vol. 33, N 9. - P. 1593-1597.

27. Levine J.A., Schleusner S.J., Jensen M.D. // Am. J. Clin. Nutr. - 2000. - Vol. 72, N 6. - P. 1451-1454.

28. Maddison R., Jiang Y, Hoorn S.V. et al. // Res. Q. Exerc. Sport. - 2009. - Vol. 80, N 2. - P. 249-256.

29. Maffeis C., Pinelli L., Zaffanello M. et al. // Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord. - 1995. - Vol. 19, N 9. - P. 671-677.

30. Mayer J. Physical activity and anthropometric measurements of obese adolescents // Fed. Proc. - 1966. - Vol. 25, N 1. - P. 11 -14 .

31. McLaughlin J.E., King G.A., Howley E.T. et al. // Int. J. Sports Med. - 2001. - Vol. 22, N 4. - P. 280-284.

32. Morio B., Beaufrere B., Montaurier C. et al. // Am. J. Physiol. - 1997. - Vol. 273, N 2, Pt 1. - P. E321-327.

33. Raman A., Schoeller D.A. Energy expenditure. Indirect calorimetry. Encyclopedia of Human Nutrition / Ed. B. Caballero. - Maryland: Academic Press, 2005. - P. 139-145.

34. Rennie K.L., Hennings S.J., Mitchell J. et al. // Med. Sci. Sports Exerc. - 2001. - Vol. 33, N 6. - P. 939-945.

35. Rietjens G.J, Kuipers H., Kester A.D. et al. // Int. J. Spor ts Med. - 2001. - Vol. 22, N 4. - P. 291-294.

36. Schoeller D.A. // J. Nutr. - 1988. - Vol. 118. - P. 1278-1289.

37. Schutz Y., Ravussin E., Diethelm R. et al. // Int. J. Obes. - 1982. - Vol. 6, N 1. - P. 23-28.

38. Schutz Y., Weinsier R.L., Hunter G.R. // Obes. Res. - 2001. - Vol. 9. - P. 368-379.

39. Snellen J.W. // Eur. J. Appl. Physiol. - 2000. - Vol. 82, N 3. - P. 18 8 -19 6 .

40. Spinnler G., Jеquier E., Favre R. et al. // J. Appl. Physiol. - 1973. - Vol. 35, N 1. - P. 158-165.

41. Stein T.P., Hoyt R.W., Settle R.G. et al. // Am. J. Clin. Nutr. - 1987. - Vol. 45, N 3. - P. 534-539.

42. Sun M., Hill J.O. // J. Biomech. - 1993. - Vol. 26, N 3. - P. 2 2 9 - 241.

43. Sun M., Reed G.W, Hill J.O. // J. Appl. Physiol. - 1994. - Vol. 76, N 6. - P. 2686-2691.

44. Webb P., Annis J.F., Troutman S.J.Jr. // Am. J. Clin. Nutr. - 1980. - Vol. 33, N 6. - P. 1287-1298.

45. Webster J.D., Welsh G., Pacy P. et al. // Br. J. Nutr. - 1986. - Vol. 55, N 1. - P. 1-6.

46. Westerterp K.R. // Appetite. - 2007. - Vol. 49, N 1. - P. 339-342.

47. Westerterp K.R., Bouten C.V. // Z. Ernahrungswiss. - 1997. - Vol. 36, N 4. - P. 263-267.

48. Wong W.W. Energy Utilization with Doubly Labelled Water (2Н218О). Stable isotopes in human nutrition: laboratory methods and research applications / Eds. S.A. Abrams, W.W. Wong. - Houston: CABI Publishing, 2003. - P. 85-105.

49. Wong W.W., Butte N.F., Garza C. et al. // Eur. J. Clin. Nutr. - 1990. - Vol. 44, N 3. - P. 175-184.