АВС-02 «Медасс» -профессиональный анализатор состава тела
Главная причина ожирения у детей. Детские центры здоровья
#АВС-02 #МЕДАСС #Биоимпедансметрия #Биоимпедансметр #анализ #внутренних #сред #организма #Анализатор #оценки #баланса #водного #белкового #липидного #обмена #соотношение #воды #мышечной #жировой #состав #тела #биоимпедансометрия #масса #безжировая #индекс #массы #тела
Руднев С. Г., Мартиросов Э. Г.
Журнал Теория и практика физической культуры 2006, 29 декабря 2006
Ключевые слова: состав тела, модели и методы изучения.
Введение. Изучение состава тела in vivo является новым быстро-развивающимся направлением биологии человека [21]. Динамика выхода публикаций свидетельствует о стремительном росте интереса к данной области исследований (рис. 1). Состав тела имеет существенную взаимосвязь с показателями физической работоспособности человека и его адаптации к среде обитания [4, 20, 21, 30, 32, 39, 42]. Особенно выражена эта взаимосвязь в условиях экстремальной профессиональной и спортивной деятельности [5, 6]. Наша цель - познакомить читателей с основными понятиями, моделями и методами изучения состава тела с характеристикой некоторых результатов, полученных в спортивной антропологии и медицине.
Модели и методы изучения состава тела. Удобным средством организации знаний о составе тела служат модели состава тела. В зависимости от целей и задач исследования принято рассматривать двух-, трех-, четырех- и многокомпонентные модели [13, 30, 41].
В классической двухкомпонентной модели состава тела (рис. 2) масса тела (МТ) представлена в виде суммы двух составляющих: жировой (ЖМТ) и безжировой массы тела (БМТ):
МТ = ЖМТ + БМТ. Под ЖМТ понимается масса всех липидов в организме. Это наиболее лабильная компонента массы тела, ее содержание может меняться в широких пределах. В норме ЖМТ у мужчин составляет около 15% массы тела, а у больных ожирением этот показатель увеличен более чем вдвое.
Согласно чаще используемой при изучении состава тела анатомической классификации различают существенный жир, входящий в состав белково-липидного комплекса клеток организма (например, фосфолипиды клеточных мембран), и несущественный жир (триглицериды) жировых тканей. Существенный жир необходим для нормальной жизнедеятельности органов и тканей. У мужчин относительное содержание существенного жира в организме ниже, чем у женщин. Считается, что оно весьма стабильно и составляет для разных людей от 2 до 5% безжировой массы. Несущественный жир образует основной запас метаболической энергии и выполняет функцию термоизоляции внутренних органов. Открытие в 1993 г. гена ожирения и продуцируемого адипоцитами молекулярного фактора лептина положило начало активному изучению жировой ткани как метаболически активного органа.
Несущественный жир состоит из подкожного и внутреннего жира. Подкожный жир распределен отно сительно равномерно вдоль поверхности тела. Внутренний (висцеральный) жир сосредоточен главным образом в брюшной полости. Установлено, что риск развития сердечно-сосудистых и других заболеваний, связанных с избыточной массой тела, выше при содержании внутреннего, а не подкожного жира [29]. Иногда используется понятие абдоминального жира, под которым понимается совокупность внутреннего и подкожного жира, локализованных в области живота.
Рис. 1. Динамика вы/хода публикаций по изучению состава тела. Оценка с использованием баз данных Medline и HighWire Press [7]
Таблица 1. Формулы для оценки процентного содержания жировой массы тела [24]
Возраст, лет |
Пол |
ЖМТ, % |
Пбмт, г/мл |
7-12 |
м |
(5,30 / ПТ) - 4.89 |
1,084 |
ж |
(5,35 / ПТ) - 4,95 |
1,082 |
|
13-16 |
м |
(5,07 / ПТ) - 4,64 |
1,094 |
ж |
(5,10/ПТ)-4,66 |
1,093 |
|
17-19 |
м |
(4,99 / ПТ) - 4,55 |
1,098 |
ж |
(5,05 / ПТ) - 4,62 |
1,095 |
|
20-80 |
м |
(4,95 / ПТ) - 4,50 |
1,100 |
ж |
(5,01 / ПТ)-4,57 |
1,097 |
Примечание. В правом столбце показано среднее значение плотности безжировой массы для данного пола и возраста
Рис. 2. Классическая двухкомпонентная модель состава тела
Рис. 3. Четырехкомпонентные модели состава тела [17, 21, 23, 41]. На диаграмме слева масса тела представлена в виде суммы/ ЖМТ, общей воды/ организма (ОВО), минеральной массы/ тела (ММТ) и массы остатка (МО); на диаграмме справа - как сумма ЖМТ, клеточной массы тела (КМТ), массы внеклеточной жидкости (ВКЖ) и массы внеклеточных твердых веществ (ВТВ). Размеры секторов на рисунке соответствуютданным по условному человеку
Рис. 4. Калипер Ланге (Beta Technology, США)
Масса тела, свободного от жира, т.е. липидов, имеет название безжировой массы/ тела (БМТ). БМТ состоит из воды, мышечной массы, массы скелета и других составляющих.
Эталонные методы изучения состава тела в двух-компонентной модели базируются на оценке плотности тела. К ним относятся гидростатическая денситометрия и воздушная плетизмография. Метод гидростатической денситометрии (ГД) заключается в измерении веса тела в воде и в обычных условиях, а также остаточного объема легких с последующей оценкой плотности тела (ПТ) по формуле:
ПТ = Вт / [(Вт - Втв) / Пв - (ООЛ - 0,1)], где Вт - обычный вес тела, Втв - вес тела в воде, Пв -плотность воды, а ООЛ - остаточный объем легких [11]. Процентное содержание жира (%ЖМТ) вычисляется по формулам, специфичным для пола и возраста (табл. 1).
Погрешность оценки жировой массы при повторных измерениях, выполненных одним и тем же специалистом, составляет 2,5%. Неудобство метода ГД связано с большой длительностью процедуры измерений (до 1 ч) и необходимостью полного погружения в воду, что значительно снижает возможности применения метода у детей, а также у пожилых и больных людей. Указанных недостатков лишен недавно предложенный метод воздушной плетизмографии (ВП) [15]. Измерения проводят в герметичной кабине, заполненной обычным воздухом (рис. 5). Устройство разработано компанией Life Measurement Instruments (США) в 1994 г. Воспроизводимость результатов измерений по сравнению с ГД более высокая, а стандартная ошибка оценки %ЖМТ составляет около 0,3% [33]. Процедура измерений занимает 57 мин. Основная погрешность методов ГД и ВП связана с предположением о постоянстве плотности БМТ у разных индивидов. Для повышения точности их иногда используют в сочетании с другими методами, дающими дополнительную информацию о состоянии белкового, водного и/или минерального обмена.
Рассмотренная двухкомпонентная модель характеризует молекулярный состав тела. Физиологическая интерпретация получаемых результатов в этом случае затруднена ввиду неоднородности молекуляр ного состава липидов и безжировой массы. С учетом этого американский врач А. Бенке ввел понятие тощей массы тела (lean body mass) как суммы БМТ и массы существенного жира и предложил рассматривать следующую двухкомпонентную модель [11]:
МТ = МНЖ + ТМТ, где МНЖ - масса несущественного жира, а ТМТ -тощая масса тела. Ввиду неопределенности, связанной с оценкой массы существенного жира, понятие тощей массы оказалось малопригодным для изучения состава тела и впоследствии нередко ошибочно использовалось в качестве синонима термина «безжировая масса» (fat-free mass). В 1981 г. на совместном заседании объединенной комиссии ВОЗ, ООН и Организации по вопросам питания и сельского хозяйства было решено использовать понятие «тощая масса тела» в качестве эквивалента термина «безжировая масса тела» для обозначения массы тела без жира [18].
Рис. 5. Устройство Bod Pod (Life Measurement Instruments, США). Момент измерений
Ввиду значительной вариации состава и плотности БМТ двухкомпонентная модель малопригодна для мониторинга изменений состава тела на индивидуальном уровне, за исключением предварительной диагностики и оценки эффективности лечения выраженного истощения или ожирения [21]. Для повышения точности оценки состава тела предложены трех- и четырехкомпонентные модели (см. рис. 3). Типичная формула для оценки %ЖМТ на основе четырехкомпонентной модели имеет вид [21]:
%ЖМТ = [2,747 / Пт - 0,7175 х (ОВО / МТ) + 1,148 х (ММТ / МТ) - 2,050] х 100.
Эталонными методами оценки ОВО и ММТ являются методы изотопного разведения дейтерия, трития или H218O, и двухэнергетическая рентгеновская денситометрия, основанная на принципах взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Имеются устройства для оценки периферического и осевого скелета. Продолжительность обследования составляет около 5 мин, а суммарная доза радиации не превышает 30 мР, что эквивалентно дозе, получаемой при многочасовом авиаперелете. Погрешность оценки минеральной массы костей составляет 1-2%. Помимо оценки состава тела рентгеновская костная денситометрия является надежным средством профилактики травматизации опорно-двигательного аппарата и используется для диагностики остеопоро-за. Ведущие производители рентгеновских денситометров - компании Hologic, Lunar и Norland (США). Альтернативой является ультразвуковое исследование пяточной кости [35].
В России популярна другая четырехкомпонент-ная модель, предложенная в начале XX в. чешским антропологом Й. Матейкой [32]:
МТ = ПЖТ + СММ + СМ + МО, где ПЖТ - масса подкожного жирового слоя вместе с кожей, СММ - масса скелетных мышц, СМ - масса скелета, а МО - масса остатка. Состав тела рассматривается здесь на тканевом уровне. На основе пато-логоанатомических данных Матейка предложил следующие антропометрические формулы для оценки ПЖТ, СММ, СМ и МО:
ПЖТ (г) = 0,065
х (d/6) х S,
СММ (г) = 6,5 х r 2 х ДТ, СМ (г) = 1,2 х Q 2 х ДТ,
МО (г) = 0,206 х МТ,
где МТ - масса тела (в граммах), d - суммарная толщина 6 кожно-жировых складок (мм), S - площадь поверхности тела (см 2 ), r - средний радиус плеча, предплечья, бедра и голени (см), Q - средний диаметр дистальных частей плеча, предплечья, бедра и голени (см), а ДТ - длина тела (см).
Таблица 2. Пятиуровневая многокомпонентная модель [41]
Уровень организации |
Компоненты |
1. Элементный 2. Молекулярный 3. Клеточный 4. Тканевой 5. Организм в целом |
О, С, Н, N, Са, Р, S, К, Na, Mg,... Вода, липиды (триглицериды, фосфолипиды), безжировая масса, белки, углеводы, минеральные вещества, ... Клетки, внеклеточная жидкость, клеточная жидкость, клеточная масса тела, внеклеточные твёрдые вещества,... Скелетные мышцы, жировая ткань (подкожная, внутренняя), костная ткань, кровь, остальные органы и ткани Голова, шея, туловище, конечности |
Многокомпонентные модели классифицируют не по числу составных компонент МТ ,а по признаку их принадлежности к одному из пяти уровней организации биологической системы, от элементного до уровня организма в целом (табл. 2). Рассмотрим их подробнее.
Элементный уровень. В организме человека обнаружено около 50 химических элементов, многие из них выполняют важные биологические функции [8,10, 21]. Наиболее часто встречаются кислород, углерод, водород и азот, в сумме образующие около 95% массы тела. Эталонным методом прижизненной оценки элементного состава тела (до 40 химических элементов, включая микроэлементы) является нейтронный активационный анализ, в ходе которого тело человека облучают потоком нейтронов, а элементный состав оценивают по спектральным характеристикам индуцированного гамма-излучения, регистрируемого при помощи счетчика излучения человека. Стандартная ошибка оценки содержания различных химических элементов в организме составляет 3-5%, что соответствует погрешности классических методов весовой химии. В связи с малой распространенностью оборудования применение метода сильно ограниченно. Содержание калия можно также оценить, измерив величину естественной радиоактивности всего тела. Данный метод используется для оценки клеточной массы тела и представляет интерес для изучения болезней, связанных с нарушением баланса жидкостей в организме и эндокринными сдвигами. Для оценки содержания ряда химических элементов применяют методы разведения. Другая возможность связана с анализом образцов биологических жидкостей и тканей [8].
Наиболее устойчивые соотношения между содержанием в организме различных химических элементов обычно наблюдаются для таких элементов, которые образуют естественные химические соединения. Это так называемые инварианты/ состава тела. Например, свыше 99% кальция в организме находится в костной ткани в виде соединения [Ca3(PO4)2]3Ca(OH)2, имеющего название гидроксиапатит кальция. Поэтому измерение кальция даёт надёжную оценку минеральной массы костей. Инварианты состава тела играют важную роль в разработке эталонных методов оценки состава тела [41].
Соотношения между элементами, не образующими химических соединений, могут значительно из меняться при заболеваниях. Например, нарушение водно-электролитного баланса приводит к существенному изменению концентрации калия в клеточной жидкости. Поэтому при нарушениях водного обмена (почечная недостаточность, ВИЧ-инфекция и т.п.) для оценки объема клеточной жидкости и клеточной массы тела не рекомендуется использовать методы, основанные на измерении содержания калия [21].
Таблица 3. Взаимосвязи различных уровней многокомпонентной модели состава тела [17, 41] (все величины измеряются в килограммах)
Мс = 0,774 х ЖМТ Мс = 0,759 х ЖМТ + 0,532 х Белок + 0,018 х ММК МСа= 0,340 хММК Мк = 0,00469 х КМТ Мк = 0,00266 х БМТ Мп = 0,161 х Белок МР = 0,456 х МСа + 0,555 х Мк Ms = 0,062 х MN Ms = 0,010 х Белок Гликоген = 0,044 х Белок ЖМТ = 1,318 х Мс-4,353 xMN-0,070 х МСа ММТ = 2,75 х Мк + MNa + 1,43 х Ма - 0,038 х МСа ОБО = 0,732 х БМТ |
Молекулярный состав тела представлен водой, липидами, безжировой массой, белками, углеводами и минеральными веществами. Иногда рассматриваются такие составляющие, как триглицериды и фосфолипиды жировой массы.
Основу биологических жидкостей составляет вода с растворёнными в ней электролитами. Ключевая функция жидких сред организма — транспорт и обмен веществ. Два основных водных сектора - это клеточная и внеклеточная жидкость. Внеклеточная жидкость состоит из плазмы крови, лимфы и интер-стициальной жидкости. При делении жидкой фракции тела на клеточную и внеклеточную к последней также относят внутриглазную, синовиальную и спинномозговую жидкость [38].
Организм человека содержит множество белковых соединений. В настоящее время возможна количественная оценка общего содержания белков, а также их мышечной и внемышечной фракций [21].
Углеводы представлены главным образом гликогеном, который содержится в клетках мышц и печени. Общая масса гликогена у взрослого человека примерно равна 1 кг. Данные о содержании гликогена в различных тканях организма получены путем биопсии. Недавнее появление магнитно-резонансной спектроскопии дало возможность неинвазивной оценки содержания углеводов.
Минеральные вещества составляют около 5% массы тела и содержатся как в костных, так и в мягких тканях.
В двух-, трех- и четырехкомпонентных моделях состава тела молекулярного уровня обычно предполагается постоянство плотности тела или гидратации безжировой массы. В зависимости от целей и задач исследования эталонными методами молекулярного уровня служат ГД, методы разведения индикаторов и двухэнергетическая рентгеновская денситометрия, а также их сочетания, используемые в трех- и четырех-компонентных моделях.
Клеточный уровень строения тела характеризуется содержанием клеток разных типов, объемом водных секторов и массой внеклеточных твердых веществ. Большое значение здесь имеет показатель клеточной массы тела (КМТ), или активной клеточной массы. Понятие КМТ было введено для характеристики клеток организма, которые потребляют основную часть кислорода и энергии, выделяют основную часть углекислого газа и производят метаболическую работу [34]. 98-99% общего калия содержится в КМТ. КМТ состоит из клеток печени, почек, сердца, скелетной и гладкой мускулатуры, нервной, паренхиматозной и других тканей, содержащих калий в такой же концентрации [1]. Понятие КМТ объединяет компоненты состава тела, подверженные наибольшим изменениям под действием питания, болезней и физических нагрузок. Оно не включает клетки соедини тельной ткани, костей скелета и черепа и других тканей с низкой скоростью обменных процессов [19]. Остаток содержит около 2% общего калия и обычно рассматривается как сумма внеклеточной жидкости (ВКЖ) и внеклеточных твёрдых веществ (ВТВ). Эталонные оценки объема внеклеточной жидкости получают методами разведения бромистого и хлористого натрия.
Тканевый уровень представлен скелетно-мышеч-ной, жировой, костной тканями и внутренними органами. Эталоном для оценки состава тела здесь являются рентгеновская компьютерная и магнитно-резонансная томографии, позволяющие получать объёмную реконструкцию тела человека. Масса тканей и органов оценивается на основе измерения объёма. Часто при заболеваниях химический состав тканей меняется даже при относительном постоянстве их объёма, а содержание липидов варьируется в зависимости от процентного содержания жира в организме и других факторов. Это служит препятствием для прямого сопоставления моделей тканевого и молекулярного уровней. Преимущество компьютерной томографии перед другими методами заключается в возможности раздельной оценки содержания подкожного и остального жира.
Для характеристики организма в целом используются антропометрия, подводное взвешивание, во-люминометрия, воздушная плетизмография и фотонное сканирование.
В табл. 3 дана характеристика некоторых взаимосвязей различных уровней многокомпонентной модели. В гибридных моделях измеряемые показатели относятся к разным уровням строения тела.
Наиболее распространенные методы оценки состава тела - это калиперометрия и биоимпедан-сный анализ. Калиперометрия основана на измерении толщины кожно-жировых складок на разных участках тела (чаще от двух до восьми) специальными устройствами - калиперами (рис. 4). Стандартная ошибка оценки жировой массы при повторных измерениях одного и того же индивида не должна превышать 5%. Некоторые калиперы снабжены микропроцессором, что дает значительную экономию времени при проведении масштабных полевых исследований. Формулы для оценки состава тела специфичны для конкретных популяций. На сегодняшний день имеется свыше 100 формул для оценки жировой, безжировой и мышечной массы [3, 4, 25, 26, 32, 37, 40].
Биоимпедансный анализ - это контактный метод измерения электрической проводимости тела, позво ляющий оценивать объемы клеточной и внеклеточной жидкости, а также жировую, безжировую, клеточную и мышечную массу тела [2, 27, 28]. В качестве эталона для оценки объемов водных секторов и клеточной массы тела используют методы разведения [16, 24] и определения естественной радиоактивности всего тела, а для других компонент состава тела - подводное взвешивание, двухэнергетическую рентгеновскую денсито-метрию, магнитно-резонансную томографию и др. Биоимпедансный анализ применяется для мониторинга изменений состава тела в бодибилдинге, фитнесе, спортивной и клинической медицине. Стандартная погрешность оценки %ЖМТ в сравнении с ГД составляет 3-6%. Наилучшую точность обеспечивают измерения импеданса тела со стандартной схемой наложения электродов на голень и запястье. В России такие приборы производит НТЦ Медасс (г. Москва) (рис. 6). Выпускается оборудование для измерения импеданса рук (American Weights and Measures, США, Omron, Япония) и ног (Tanita, Япония), однако точность получаемых оценок состава тела, как правило, более низкая.
Таблица 4. Некоторые важные даты
Год |
Описание открытия |
1847 |
В тканях животных обнаружен калий. Начало применения химических методов изучения обмена веществ в организме (Ю. Пибих) |
1857 |
Установлен факт уменьшения с возрастом относительного со держания воды в организме животных и увеличения относительного содержания минеральных веществ (А. Безольд) |
1863 |
Анализ нескольких трупов взрослых людей на содержание воды (Е. Бишоф) |
1869 |
Предложен индекс массы тела (А. Кетле) |
1870 |
Появление концепции относительного постоянства внутренней среды организма (К. Бернар) |
1880 |
Первое упоминание о методе измерения электрической проводимости тела (В.Томсон) |
1906 |
Появление концепции безжировой массы тела (А. Магнус-Г. Леви) |
1909 |
Оценка мышечной массы тела по экскреции креатинина (П. Шеффер, У. Колеман) |
1921 |
Первые формулы для оценки состава тела методом калипероме трии (И. Матейка) |
1925 |
Первые устройства для измерения импеданса клеток и тканей тела (Г. Фр ике, С. Морзе) |
1935 |
Определение объема жидкости в организме методом разведения дейтерия; предложен активаци-онный анализ (Д. Хевеши, Г. Леви) |
1939 |
Разработан метод определения коэффициента поляризации живых тканей (Б.Н. Тар усов) |
1942 |
Оценка состава тела методом подводного взвешивания, появление концеп ции тощей массы тела (А. Бенке) |
1952 |
Разработано устройство для измерения интенсивности гамма -излучения человека (X. Энгер) |
1958 |
Предложен метод оценки общего содержания калия на основе измерения естественной радиоактивности всего тела (40К) |
1962 |
Первое применение биоимпедансного анализа для оценки объемов клеточной и внеклеточной жидкости (А. Томассет) |
1963 |
Предложен метод монофотонной денситометрии (Дж. Кэмерон, Дж. Соре неон) |
1967 |
Применение нейтронного активационного анализа для оценки состава тела |
1979 |
Начало использования рентгеновской компьютерной томогра фии (С. Хеймсфилд) и массового производства биоимпедансных анализаторов (RJL Systems, Space Labs, Valhalla Scientific) |
1982 |
Разработан метод двухэнергетической рентгеновской денсит ометрии |
1984 |
Начало использования магнитно-резонансной томографии для изучения состава тела (М. Фостер и др.), оценка жировой массы методом инфракрасного отражения (Дж. Конвэй) |
1992 |
Предложена пятиуровневая многокомпонентная модель состава тела (3. Ванг, Р. Пирсон, С. Хеймсфилд) |
1994 |
Разработано устройство BOD POD (Life Measurement Instruments, США) метода воздушной плетизмографии |
1997 |
В России начат серийный выпуск первого автоматизирован ного биоимпедансного анализатора АВС-01 «Медасс» |
Для оценки жировой массы тела был предложен метод инфракрасного отражения [14]. Портативные устройства в виде источника инфракрасного излучения, снабженного световодом, принимающим детектором и микропроцессором, выпускает компания Futrex (США). %ЖМТ оценивается автоматически по характеристикам отраженного излучения в участке доминантного бицепса. Точность метода ниже, чем в случае калиперометрии и биоимпедансного анализа, поэтому его использование ограниченно.
Обсуждение и выводы. Приведенный обзор показывает, что последние достижения науки о составе тела неразрывно связаны с развитием наукоемких технологий. Обсуждая перспективные направления исследований в этой области, необходимо ответить на вопрос: каким требованиям должны отвечать технические устройства и методы, для того чтобы они были широко востребованы специалистами и обществом? Очевидно, что при проведении популяционных исследований и в амбулаторной практике спортивной медицины и фитнеса предпочтение отдается сравнительно простым и недорогим портативным методам. К ним относятся калиперометрия и биоимпедансный анализ. В научных и клинических исследованиях первостепенное значение приобретает разрешающая способность метода, которая часто лимитируется уровнем безопасности существующих технологий. Новыми и перспективными являются методы двухэнергетической рентгеновской денситометрии, воздушной плетизмографии, биоимпедансная спектроскопия и компьютерная томография. В связи с изучением причин возникновения профессиональных заболеваний и срывов адаптации представляет интерес характеристика нормальных и патологических изменений состава тела, характерных для конкретных видов деятельности.
Рис. 6. Биоимпедансный анализатор состава тела АВС-02 «Медасс» (подробнее)
Совершенствование технологий и методов определения состава тела человека с учетом потребностей клинической медицины, экстремальной профессиональной и спортивной деятельности позволит повысить эффективность решения клинических задач, коррекционных и профилактических мероприятий и в целом - эффективность контроля и управления состоянием здоровья человека.
В связи с необходимостью оперативной оценки и контроля состояния спортсменов на сегодняшний день наиболее интересны полевые методы исследований, такие как калиперометрия и биоимпедансный анализ. Стационарные методы могут представлять интерес для углубленных медико-биологических исследований спортсменов - членов сборных команд России и ближайшего резерва, а также в качестве эталона для проверки точности и надежности полевых методов.
Литература