空气置换法、电阻抗法与双能射线法检测中国运动员体脂百分比的比较研究

2021-10-13王贝王晨侯彬任雪王永梅叶晶龙王道钱风雷

中国运动医学杂志 2021年7期

王贝王晨侯彬任雪王永梅叶晶龙王道钱风雷

1 上海体育科学研究所（上海市反兴奋剂中心）（上海200030）

2 上海体育职业学院（上海200237）

准确测量身体成分，尤其检测体脂百分比，对于个人的健康评估及制定相应的干预方案十分重要。对于运动员来说，身体成分的定期测定是达到并维持理想身体状况和制定个体化饮食方案及训练计划的基本依据。目前，水下称重被认为是测量体脂的金标准方法，但是要求受试者身体测量时完全处于水下，过程复杂且不易操作。由于水下称重法的局限性，目前研究者最常用的另一种金标准方法是双能射线法（dual-ener⁃gy X-ray absorptiometry，DXA）。DXA利用X射线通过骨骼、肌肉和脂肪等不同物质时衰减的不同程度来估算各个物质的量。研究显示DXA 方法可精确估算身体成分，甚至有时比水下称重法更为可靠[1]。但是DXA法也有一定局限性，因为使用的双能射线会让受试者受到少量的辐射并且测试者需经过专业培训才能进行仪器的操作。而BOD POD 空气置换法身体成分分析仪克服了水下称重法和DXA 法存在的弊端，通过测量身体的体积和重量来估测身体密度，然后根据内置的Siri[2]和Brozek[3]公式计算体脂百分比。BOD POD 对受试者限制很少，受试者只需着少量紧身衣物静坐于测试舱内正常呼吸即可完成测试。测试者也只需接受一定培训即可操作仪器，并且每次测试耗费极少。因此，BOD POD 正被国外学者越来越多地应用于身体成分的日常测试和研究项目中。电阻抗法是另外一种常见的身体成分测试方法。由于身体组织中的水分可导电，因此测量身体的电阻抗可间接获得身体水分含量进而推算出身体成分。一般的电阻抗法仪器采用单频交流电，然后通过内置的专用算法公式获得身体成分的估测值，而这些公式会根据前期实验总结的年龄、性别、人种和体型对身体成分的不同影响程度对测量结果进行相应的调整，但对于那些身体成分并不完全遵循这些常见规律变化的人群，所得到的估测值就不能反映其真实的身体成分。InBody（BiospaceCo.，Ltd.，Korea）系列的电阻抗法仪器采用多频交流电测量人体5 个部分（躯干和四肢）的电阻抗以及全身水分的分布情况，从而直接推算出身体成分情况，不受任何实验推导公式的影响。电抗阻法测量身体成分易于操作、无创伤、耗时短，在某些人群中InBody测试结果与水下称重法和DXA高度相关[4-7]。

虽然国外有很多研究比较了空气置换法和电阻抗法相对于DXA 在身体成分测试方面的有效性，但是绝大多数用于估测体脂含量的公式基于高加索人种样本[2，3]，而其它人种生理解剖差异性必将造成这些身体成分评估公式的不准确性。除此之外，大多数研究测试的是正常身材的人群和肥胖人群[8-11]，少有针对运动员进行的身体成分测试有效性分析。Vescovi等[12]提出在低体脂人群中进行评价BOD POD 准确性和可重复性研究的必要性。运动员不同于常人的骨骼肌肉情况，会影响去脂体成分的密度，而去脂体成分密度是影响通过身体密度估测体成分的主要限制因素之一。本研究以DXA 方法为标准对照，探讨空气置换法和电阻抗法估测中国运动员不同身体质量指数（body mass in⁃dex，BMI）人群体脂含量的可重复性和准确性，为运动员群体体成分测试评估方法的选择提供参考依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究从当地体育院校和职业运动队招募了111名上海籍运动员进行测试，其中男性63人，女性48人，包括田径、跆拳道、拳击、射击射箭、体操、曲棍球、自行车、手球和举重等项目，训练年限均在5年以上。受试对象基本信息见表1。另选8名非运动员受试者（5男3女，平均年龄30.13 ± 1.65 岁，BMI 23.39 ± 1.87 kg/m2）参与仪器的可靠性检验实验。受试者参加测试前均仔细阅读过《受试者须知》并同意遵守测试要求。所有测试在上海体育科学研究所的体质实验室进行。受试者被要求测试前晚8 点后不再进行任何运动，不摄入酒精类和咖啡因类饮料；晚12点以后除了饮水不再进食，早上6点以后开始停止摄入水分。

表1 受试对象基本信息（ ± s）

男（n=63）女（n=48)年龄(yrs)20.58 ± 2.91 19.77 ± 2.02身高（cm）182.05 ± 9.73 168.84 ± 7.17体重（kg）82.62 ± 19.39 59.70 ± 10.65 BMI（kg/m2）24.83 ± 0.62 20.87 ± 0.43腰围（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 仪器与方法

1.2.1 实验仪器

1.2.1.1 DXA

身体成分的标准测量仪器采用DXAProdigy/DPX系列（GE Medical Systems- Lunar， Madison， WI USA）。测试前所有受试者被要求取下身上所有金属配件以免干扰X射线的检测。测试前的校准和测试步骤均根据厂家说明书进行。

1.2.1.2 BOD POD

空气置换法的实验测量仪器采用BOD POD Gold Standard Model 2007A （COSMED USA，Inc.Concord，California USA），所使用的软件版本为5.2.0。每个测试日所有测试前，经过仪器操作培训的实验员都会使用仪器自带的50 升圆柱体进行仪器校正。为了最小化衣服和头发裹住的空气可能带来的测量误差，所有受试者均被要求着紧身游泳衣或健身服和游泳帽。长发的女性受试者被要求盘起头发并全部裹在游泳帽中。测试时室温控制在20℃～25℃之间，所有测试均严格按照BOD POD标准要求步骤进行操作。

1.2.1.3 InBody720

电阻抗法使用InBody720（BiospaceCo.，Ltd.，Ko⁃rea）。所有受试者被要求测试时光脚站立于测试台上，两手握紧手柄，身体直立，两臂自然放松下垂于身体两侧。所有测试均严格按照InBody720 标准要求步骤进行操作。

1.2.2 测试方法

1.2.2.1 仪器重复性检验（Reliability）

8 名非运动员受试者参与了仪器的可靠性检验实验。每人在同一天内分别使用BOD POD和InBody720各进行5 次测试。由于DXA 具有一定放射性，除2 名受试者因身体原因未进行测试外，其他6 名受试者各进行了3次测试。同一个受试者的所有重复测试均在2小时内完成，并且同一测试均由一名固定实验人员进行操作。仪器测量的可靠性通过计算反复测试结果的标准差（S.D.）和变异系数（CV：%）进行评估。

1.2.2.2 身体成分测试

每个测试日早上7:30～8:00 开始测试，测试前所有受试者被要求排空尿液，然后使用强生稳豪倍易型血糖仪[OneTouch UltraEasy，强生（上海）医疗器材有限公司]进行血糖测试以确认是否空腹。所有受试者的身高均由同一实验人员使用身高测量标尺统一进行两次光脚测量（精确到0.1 cm），取平均数。所有受试者的腰围也由同一实验人员使用卷尺绕肚脐一周测量3次取平均值（精确到0.1 cm），该测量方法相对最容易操作，并且方便测量保持一致性[13，14]。然后分别使用In⁃Body720、DXA 和BOD POD 进行身体成分的测试。BMI（Body Mass Index）的计算公式如下：BMI=体重（kg）/身高（cm）2，体重统一采用DXA所测值。根据BMI将受试者分为3 组：低BMI 组（BMI＜18.5）、正常BMI 组（18.5≤BMI≤24.99）和高BMI 组（BMI≥25）。对于大多数受试者，BOD POD 测得的身体密度数据经由Siri 公式转化为体脂百分比[2]。对于BMI＜18 或BMI＞29 的受试者，身体密度数据经由Brozek 公式转化为体脂百分比[3]。

1.3 统计学分析

采用SPSS Ver.22.0 统计软件包对数据进行统计分析。3个不同BMI组分别使用配对t检验对3种仪器测得的体脂百分比进行两两比较。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）检验3 种仪器测量体脂百分比间的一致性。采用Bland-Altman差值法分析图分别对BOD POD 和InBody720 数据与DXA 进行比较。P＜0.05为具有统计学意义。

2 结果

2.1 DXA、BOD POD和InBody720估测体脂百分比的重复性检验

如表2所示，3种仪器各自重复测试所得的体脂百分比间无显著差异。DXA重复测试的变异系数均值为1.14%，BOD POD 为3.47%，InBody720 为1.65%，3 种仪器均能可靠估测体脂百分比。值得注意的是，BOD POD 所测的8个受试者中有两名受试者的变异系数明显高于其它数值，其对应的BOD POD所测的体脂百分比明显低于其他受试者的数值。因此，我们以BOD POD 体脂百分比为自变量，变异系数为因变量做线性回归图（图1），结果显示两者间的决定系数（r2）可达

图1 8名受试者使用BOD POD连续5次测定体脂百分比所得变异系数与体脂百分比间的线性关系

表2 3种仪器的重复性检验

0.90。

2.2 以DXA 为标准仪器，BOD POD 和InBody720 估测体脂百分比的准确性检测

根据BMI 值划分不同组，受试者在每组中使用不同仪器测得的体脂百分比见表3和表4。

配对t检验结果中，运动员使用3种不同仪器测得的体脂百分比在3 个BMI 区间配对的相关系数（paired samples correlations）均显示两两显著相关，除了在BMI＜18.5 的低体重区间，BOD POD的数据与In⁃Body720的数据未见显著相关（P＝0.145）（表3）。与之相对应的，组间一致性检验结果同样显示3 种仪器在不同BMI 区间两两比较时均显著相关，ICC 范围为0.817～0.937，除了当BMI＜18.5 时，BOD POD 和In⁃Body720 间的ICC 值为0.545，无显著相关性（P＝0.065）。当BMI＜18.5时，BOD POD所测得体脂百分比显著低于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 与DXA 数据间无显著性差异（平均差值0.05%，P＝0.946）。当18.5≤BMI＜25 时，BOD POD 所测得体脂百分比显著低于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 与DXA 数据间无显著性差异（平均差值0.25%，P＝0.471）。当BMI≥25 时，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）所测得体脂百分比均显著低于DXA，而BOD POD 和InBody720 数据间无显著差异性（P＝0.806）。独立t检验结果显示，BOD POD 和DXA 所测数据间的差异在不同BMI 组间无显著性差异，而InBody720和DXA 所测数据间的差异在BMI≥25时显著高于BMI＜18.5（P＝0.003）和18.5≤BMI＜25（P＜0.001）两个区间，后两个区间之间没有显著性差异。

表3 运动员使用3种不同仪器测试的体脂百分比（%）[ ± 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）

将所有BMI 组的数据综合在一起，使用Bland－Altman差值法分析图可观察BOD POD或InBody720数据相对于DXA数据的偏差（图2～图3）。分析图结果显示，无论体脂百分比多少，BOD POD 均倾向于低估受试者的体脂百分比；而InBody720倾向于低估高体脂人群的体脂百分比。

图2 Bland-Altman差值法分析图显示运动员使用BOD POD测试体成分与DXA间的偏差

图3 Bland-Altman差值法分析图显示运动员使用InBody720测试体成分与DXA间的偏差

3 讨论

本研究检测了使用空气置换法的BOD POD 和电阻抗法的InBody720相对于双能射线法的DXA 在测量中国受试者体脂百分比时的可重复性和准确性，结果显示，BOD POD 多次重复测试体脂百分比一致性高，但当受试者体脂百分比偏低时，一致性降低。这与测试时的情况一致，在测试多个体脂低于10%的男性受试者时，BOD POD 时常需多次测量才可获得有效数据，个别体脂特别低的男性运动员受试者甚至无法使用BOD POD 测得体脂百分比。BOD POD 与DXA 各自测得的数据在运动员所有BMI的分组组别中均呈显著相关性，具有一定的准确性，但是，与DXA 相比，BOD POD在所有组别中显著低估了体脂百分比。

BOD POD 与DXA 测量体脂百分比存在差异的部分原因可能是由于各自内置的计算方程式的不同推算原理。BOD POD 使用二室模型（two compartment model）来计算体成分，二室模型把人体划分为两部分：脂肪和非脂肪组织。非脂肪组织包括骨骼、水分、肌肉、血管、结缔组织及其它。BOD POD 假设这些组织在人体中的比例是一定的，因此非脂肪组织的密度定为1.1 g／ml，脂肪组织密度为0.9 g／ml，然后根据内推公式计算体脂百分比。而DXA 额外测量了实际骨密度，因此估测的体脂百分比会异于BOD POD。国外也有文献报道BOD POD 与DXA 测得的体脂百分比有显著差异，但是BOD POD显著高估了低体脂受试者的体脂百分比和显著低估了高体脂受试者的体脂百分比[15]。而我们的结果是BOD POD 显著低估了所有BMI组别运动员的体脂百分比，尤其是对于体脂很低的受试者，BOD POD的重复可靠性和一致性降低。一方面可能由于内置方程式不能很好适用于体脂很低的受试者；另一方面可能由于人种差异。国外文献使用BOD POD 检测的大多是白色人种和黑色人种的体脂百分比，BOD POD 内置的Siri 和Brozek 方程式均是以白色人种为测试对象建立的推算公式，Siri针对的是一般体型的人群，Brozek 针对的是BMI＜18 或BMI＞29 的受试者。另外还有3 种可供选择的方程式，一个适用于黑色人种男性（Schutte），一个适用于黑色人种女性（Or⁃tiz），还有一个适用于≤17 岁的白色人种未成年人（Lohman）。因此，BOD POD目前使用的内推公式可能并不能很好地适用于我们实验中所测试的黄色人种受试者。人种间骨矿物含量、肌肉量、水分等各物质的差异都有可能造成BOD POD 对体脂百分比估测的偏离。Modlesky等[16]发现，肌肉发达的青年白种男性使用BOD POD 内置的Siri 方程式高估了体脂百分比，原因在于较多的肌肉导致体内水分较多，进而使非脂肪组织中骨矿盐和蛋白质的比例降低，非脂肪组织的密度偏小。由于Siri 和Brozek 方程式假设体脂的密度为0.9 g／ml，而非脂肪部分密度为1.1 g／ml，肌肉发达造成实际非脂肪组织密度小于1.1 g／ml，因此Siri 和Brozek 方程式推算出的体脂百分比偏高。Wagner 等[17]发现黑种人的骨矿盐和钙质高于白种人，所以黑种人的骨密度较高，加上非脂肪中蛋白质含量高从而非脂肪组织的密度高，大于1.1 g／ml，因此使用BOD POD的Siri和Brozek公式计算体脂百分比偏低。本实验中，由于运动员受试者中有各种不同运动专项，包括射击射箭、投掷、拳击、跆拳道、曲棍球、自行车、手球、举重和体操等，运动员的肌肉发达程度不一，故无法统一检测发达的肌肉对BOD POD测量体脂百分比的影响，但运动员受试者的测试结果与我们之前测过的非运动员受试者相比并无显著区别。本研究受试者均为黄种人，目前尚无文献比较黄种人和其他人种身体成分的区别。但因中西方饮食和运动习惯的不同，我们推测黄种人的肌肉量低于白种人，所以组织中的水分少，骨矿盐和蛋白质的比例增加，从而非脂肪组织的密度高于1.1 g／ml，因此造成使用BOD POD 的Siri 或Brozek公式估算的体脂百分比偏低。

InBody720多次重复测试体脂百分比一致性高，且与DXA各自测得的数据在运动员受试者所有BMI的分组组别中均呈显著相关性，具有较高准确性。但是，与DXA相比，InBody720显著低估了高BMI运动员（BMI≥25）的体脂百分比。对于低BMI和正常BMI的运动员，InBody720与DXA数据相关性较高。因此，本研究结果显示InBody720 在测体脂低的运动员受试者时与DXA有着较高的相关性，但是会低估体脂高的受试者的体脂百分比。这个结论与国外一些文献研究结果较一致[18，19]。Faria 等[20]使用Bland-Altman 差值法分析图发现InBody720 趋向于低估肥胖人群的体脂百分比。Esco等[21]测试女性大学运动员时也发现InBody720 显著低估了她们的体脂百分比（3.33%），但该研究中女性受试者的平均体脂百分比为25%，接近于本研究测试的高BMI组，因此同样反映了InBody720倾向于低估体脂较高的人群的体脂百分比。其原因可能在于体脂高的人群体重和导电性的不匹配和其身体细胞内外水分的改变[22]。InBody720所依据的电阻抗法是基于人体内的水分具导电性。其通过测量人体的电阻抗来估测水分的含量，前提是假定肌肉的73%成分是水，然后通过经验证的推导方程和参考值计算出非脂肪质量和体脂质量。体脂高的人群很可能由于其身体水分含量高于体脂低的人群，从而可能造成InBody720的推导方程不太适用于此人群。