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易科泰能量代谢测量技术—人体能量代谢测量

易科泰能量代谢测量技术—人体能量代谢测量

众所周知,人体能量代谢率监测是研究人体新陈代谢与健康医学的一个重要方面,而且影响代谢率测量效果的因素非常多。尽管市面上有大量的能量代谢仪,但对科研工作者来说,普遍存在分辨率低、系统误差高、仪器硬件或软件透明性、兼容性差等问题,因而难以满足人体这个复杂系统中非常细微的能量消耗、能量投入(Cost of energy)等精准代谢监测。

 由北京易科泰生态技术有限公司提供的SSI高分辨率能量代谢测量技术可以监测耗氧量VO2、二氧化碳排出量VCO2、最大耗氧量VO2max、厌氧阀值(AT)、净能消耗(NMR)、静息代谢率(RMR)、移动能量投入(COT)等多项指标,以及灵活组合搭配各类系统模块(如高压氧、海拔模拟、重力模拟、活动监测等),可与其它系统(如热成像、光谱成像、运动视频分析等)进行大数据交互处理分析,广泛应用于环境医学、运动生理学研究、转化医学与临床研究、康复及健身的评估、营养干预、老年医学、慢性病研究等多个领域。详细方案咨询请致电010-82611269。

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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.

加拿大谢尔布鲁克大学医院研究中心医学系、加拿大渥太华大学健康科学学院、渥太华蒙福医院研究所等单位研究认为,人类急性寒冷暴露期间的肌肉热发生不仅仅限于颤抖,还包括质子泄漏的冷诱导增加。肌肉氧化磷酸化的效率随着冷适应而提高,这表明减少质子泄漏可减少肌肉热生成。此外,随着BAT容量和活性的增加,颤抖强度降低。这些变化发生在全身热生成中没有净差异。文中实验采用一种可持久进行的带水汽稀释校正的间接热量测量系统(SSI面罩式能量代谢)测量各代谢参数,并应用专利性的背景基线技术校正分析仪的漂移,精确得到人体蛋白质、碳水化合物和脂肪的氧化速率。

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颤抖强度与人体代谢产热之间的关系

类似的研究,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.

在寒冷暴露期间,热产量的增加是通过激活颤抖的热发生和无颤抖热发生而产生的,前者是非适应性人类补偿热产生的主要因素。在大鼠身上,已经证明颤抖的热发生完全由皮肤热受体调节,但这种调制尚未在人类身上研究。

加拿大渥太华大学健康科学学院科研人员利用SSI高分辨率人体能量代谢测量技术,以及使用液体空调服,让6名未适应的男性暴露于寒冷(6℃中30分钟,每个男性分开热暴露(33℃)15分钟。在整个暴露过程中,核心温度保持稳定,而与基线相比,连续冷热暴露期间皮肤温度平均显著下降12%。在6℃暴露期间,抖动强度和代谢率显著增加。最重要的是,在33℃的接触中,尽管皮肤温度通常保持在基线值以下,但颤抖可以迅速而强烈地受到抑制。

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人体能量代谢与核心体温、体表温度、颤抖强度的相互关系

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).

运动动力学中的不对称可能需要更高的代谢成本维持运动。降低运动代谢成本和最大化步态对称性一直是,而且仍然是假肢设计发展的关键标准。可以说,最重要的假肢开发是引入动态反应脚(DRF):有时被称为“能量储存和提供”智能足具。

英国利兹大学生物医学学院、意大利米兰大学医学院病理生理学和移植系、英国布拉德福德大学工程学院生物医学工程系等单位利用SSI能量代谢测量技术监测佩戴假肢参与者的静息氧气消耗和二氧化碳产量,以及不同行走速度、不同姿势角度的代谢参数。实验测试中的呼吸交换比率(RER)均小于1,表示有氧代谢,并用来评估人体移动的能量投入成本,得到人体运动、稳态、站立能量代谢率,以及人体运动的静能值和比率。

研究结果表明,使用含有小型被动液压脚踝装置的DRF将改善代谢能量消耗和运动学,因此应能为单侧胫骨截肢患者的日常运动提供临床上的科学指导,尤其是那些需要以各种速度和不同地形行走的人。

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人体足部安装脚踝在不同速率和不同角度移动下的能量代谢投入成本

典型案例3

Effects of stride frequency and foot position at landing on braking force, hip torque, impact peak force and the metabolic 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.

美国哈佛大学人类进化生物学系科研人员利用SSI能量代谢测量技术在一个温度和湿度恒定的密闭房间内测量14个年龄从19岁到48岁的男女个体不同步频的运动能量成本。系统设置100 Hz测量氧气分压,根据实时记录数据曲线得到静息站立代谢率、静氧气消耗量Net V̇O2、移动能量投入(Cost of transport,COT, ml O2 kg-1 m-1)等多个代谢参数。

研究结果表明,跑步者可能受益于大约85步/分钟步幅频率,并且在摆动阶段结束时以相对垂直的胫骨状态着陆。这种频率不仅最小化能量消耗成本,而且影响运动学的方式可能与某些伤害有关。

步幅频率变化对移动能量投入的影响(A)测量步幅频率 (SF) 和 COT(r=0.93, P=0.02) 之间有U形关系;(B)根据测量的 SF(r=0.97, P<0.0001) 对标准化制动脉冲的受试者平均值的回归,以及针对测量 SF的标准化 MHFM(r=0.98, P<0.0001)。(C)所有受试者的预测与观察到的代谢最佳步幅频率(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.

美国妇产科学院和加拿大的妇产科医生协会发表了最新的孕妇活动指南,建议孕妇进行150分钟中等强度运动以减少妊娠并发症,有利于母体和婴儿的健康。然而怀孕(婴儿作为特殊负重)是如何影响孕妇的能量投入、活动体能和机械效率的却了解很少。该研究通过FMS便携式能量代谢仪来定量化不同运动程序的能量消耗和机械效率。

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上图左为对照个体、孕早期、孕中期、孕后期的静息能量消耗比较,上图右对照个体、孕早期、孕中期、孕后期个体在21分钟标准运动任务后的活动能量消耗情况。*表明结果有显著性差异。

本研究创新性发现,1)孕期运动时间的能量需求与体重增加成正比;2)在低到中等强度的步行过程中机械效率保持不变。