陈俊飞，汤强，严翊，谢敏豪

现代社会的不断进步和科技的飞速发展，不断地改变着人类的生活方式。人们的饮食摄入量不变或增加，而体力活动量在迅速减少[1,2]。这种生活方式的改变，与肥胖[3]、代谢综合征[4,5]、2型糖尿病[6,7]、心血管疾病[8]等慢性非传染性疾病的发生和发展密切相关。

便携式遥测气体代谢仪的出现，克服了自由状态下的体力活动量评价难的问题，被广泛应用于体力活动相关领域的研究，如智能手机、可穿戴和虚拟现实设备的开发和应用，竞技体育科研等。但这些设备测量是否准确？特别是其核心指标：摄氧量（VO2）、二氧化碳产生量（VCO2）和通气量（VE）测量的信度和效度如何？对于设备的应用范围及使用限制具有很强的指导作用。本文就这些问题进行分析，以期为相关研究和应用提供参考。

1 便携式遥测气体代谢仪的发展

便携式遥测气体代谢仪是基于间接测热法（Indirect Calorimetry）发展起来的设备[9]。最初，研究人员用道格拉斯气袋（Douglas bag），收集受试者经过三通单向阀的呼出气体，每隔一段时间（30 s或1 min）更换一个气袋，整个测试过程约需要几十个气袋。气体收集完成后，使用化学分析法分析气袋中的O2和CO2的浓度，以及气体体积，得出受试者单位时间内O2的消耗量和CO2的生成量，并计算呼吸商（Respiratory Quotient，RQ）、能量消耗量（Energy Expenditure，EE）等。这就是道格拉斯气袋法（Dogalas Bag method，DB法），它也被誉为气体代谢测试的“金标准”（gold standard）[10-13]，常被用于评判新的气体代谢设备测量的效度[14]。

由于DB法测试整个过程缓慢而且非常繁琐，且设备体积大，难于携带，短时间内气体在多氏袋内无法均匀混合，使其应用受到限制[15]。20世纪末，伴随电子技术、高速传感器技术的发展和计算机的应用，测试技术有了大飞跃，人们提出呼出气的动态混合概念，即混合仓（Mixing Chamber）法，在测试的同时便可得到了气体代谢的数据。混合仓法比较符合道格拉斯气袋法的基本原理，适用于稳态负荷的测试[16]，但由于数据动态性能差，反映迟钝，该方法不适用于短时间快速精确的测量。

随后出现了更为及时的breath-by-breath方法，即分析每一口呼出气的VE、O2和CO2浓度，使VO2的测试成为一个快速、精确、动态测试。无线传输技术的应用，使气体代谢测试突破了以前测试只能在跑台或功率车上进行，它可以测试自由活动状态下的气体代谢状况，这就是便携式遥测气体代谢仪。目前，市场上常见的设备有Cosmed K4b2、Metamax 3B/VmaxST、Oxycon Mobile、VO2000等，其参数如表1所示。

表1 常见便携式遥测气体代谢分析仪基本参数Table I Basic Parameters of the Common Portable Telemetric Gas Metabolic System

2 常见便携式遥测气体代谢仪测量的信度和效度

便携式遥测气体代谢仪的出现，使得更为自由活动状态下的体力活动能量消耗量测试成为现实。这些便携式遥测气体代谢仪测量是否准确，需要对其核心指标——VO2、VCO2和VE的测量信度和效度进行分析。

信度（Reliability）分析反映气体代谢仪的重复测量的一致性，研究往往采用模拟设备重复进行不同流速的特定气体交换或采用同一批受试者进行不同形式、不同强度的重复运动测试。效度（Validity）分析对气体代谢仪的测量值与模拟值或“金标准”DB方法测量值进行分析，评价测量的有效性。常采用相关分析，Bland-Altman散点分析[17]等，用相关系数（Correlation Coefficient）r、变异系数（Coefficient of Variance,CV）、标准误（Standard Error of Measurement,SEM,或Tipical Error of Measurement,TEM）[18]等指标进行评价。

变异系数（CV）=重量测量的标准差/重复测量的均值×100%

2.1 Cosmed K4b2气体代谢仪测量的信度和效度

Cosmed K4b2便携式遥测气体代谢仪（意大利，Cosmed公司）是在K4系统的基础上发展的一种气体代谢系统。目前，关于这套系统测量信度和效度的研究比较多，具体研究情况见表2。

信度方面的研究多集中于安静状态，不同步行和跑步速度，上、下楼梯等。以CV值＜10%[40]，或r＞0.85，或TEM%＜5%做为评判标准，多数的研究认为K4b2在规律、强度较低的运动时有较好的信度，但其在安静、上楼梯、大强度运动（1 min冲刺跑）下，重复测量的一致性中等。其中，安静时可能与其通气量较小有关；下楼梯时重测信度差，原因可能是未采用定频节奏，而是采用自我控制节奏。建议应用K4b2开展其它体力活动状态下的重复测量信度研究。

效度方面的研究较少，仅有步行、跑、功率自行车状态下的测量效度研究，但有限的研究提示，K4b2的VO2的测量效度尚可，而VCO2在大强度时可能存在低估的现象，仍需更多气体代谢仪在大强度运动和不同体力活动状态下的测量效度研究。

表2 Cosmed K4b2气体代谢仪测量的信度和效度研究Table II Variability and Validity of the Gas Metabolic System Cosmed K4b2

2.2 Metamax 3B气体代谢仪测量的信度和效度

Metamax 3B（德国，Cortex）是德国CORTEX Biophysik公司1999年研制的产品，是基于Metalyzer 3B发展的便携遥测气体代谢仪。2001年时，该公司为美国Sensormedics公司生产的Metamax 3B，在市场上的商品名为VmaxST。

对于这套系统的信度和效度的研究多针对于VmaxST气体代谢仪。VmaxST气体代谢仪与Metamax 3B气体代谢仪的区别在于VmaxST气体代谢仪采用的软件版本为Metasoft 1.0，而后继的Metamax 3B气体代谢仪采用的是更新的软件版本（新的已到Metasoft 3.9.7）。有关这套系统信度和效度分析方面的研究较多，具体研究情况见表3。

信度方面的研究多采用模拟气体交换设备，以TEM%＜3%[26]为测量信度高的标准，多数研究结果Metamax 3B/VmaxST重复测量的一致程度高。而人体进行不同速度的步行和跑步时，CV升高，特别是VCO2的CV超过了10%，提示VmaxST在大强运动（跑步速度9.65 km/h）时，其信度略差。未见Metamax 3B人体的重复测量信度的研究，建议对软件升级后气体代谢仪的信度进行研究，特别是人体研究。

效度方面的研究，早期版本的VmaxST VCO2的测量值存在低估现象，而新版本Metamax 3B在进行较大强度运动时，则存在高估的问题，特别是VCO2的测量值，这会造成体力活动量被高估或有氧供能比例增加的现象，对于某一特定运动项目能量供应特征的研究，可能带来较大的误差，因而，在应用时需考虑其准确的测试范围。但由于Metamax 3B具有较好的信度，对于同一个体前后的测量数据还是可以进行对比分析。

表3 Metamax 3B/VmaxST气体代谢仪核心指标测量的信度和效度研究Table III Variability and Validity of the Core Measurement Indexes of the Gas Metabolic System Metamax 3B/VmaxST

续表3

2.3 Oxycon Mobile气体代谢仪测量的信度和效度

Oxycon Mobile是德国耶格（Jaeger）公司的产品，其便携式遥测气体代谢仪共有Oxycon Mobile I和II两代产品。有关设备测量信度和效度的文章较少，未见信度方面研究，但其测量的稳定性较高，在模拟有不同方向风、不同低温高湿[（12±2）℃，（86±7）%；（5±4）℃，（69±16.5）%）条件下]，至少可以稳定测试45 min[31]。

效度方面，Rosdahl H等对I和II代Oxycon Mobile气体代谢仪分别与DB法进行了的效度分析[32]。结果显示，Oxycon Mobile I在次极量强度（40%～60%VO2max）时，VO2和VCO2分别比DB法高6%～14%和5%～9%，而达到最大摄氧量时，Oxycon Mobile I测量值又比DB法低，VO2和VCO2分别低4.1%和2.8%。Oxycon Mobile II在VE为1～5.5 L/min时，测量的准确性较高，而VCO2比DB法高估了3%～7%。两代产品的VE在次极量强度时较为准确，而在最大摄氧量时，约低估了4%～8%。总体而言，测量效度II代优于I代，但还需要有更多的研究对其效度进行分析。

2.4 VO2000气体代谢仪测量的信度和效度

VO2000气体代谢仪是美国Medical Graphics的产品，这套系统与Aerosport的VO2000系统为同一系统。关于这套系统核心测量指标的信度和效度研究很少。

信度方面，Crouter SE等，对10名成年男性受试者两次安静、50 W、100 W、150 W、200 W、250 W的功率自行车实验，整个实验过程持续10～12 min，研究采用交叉设计，先随机选择5名受试者在实验的前半段用VO2000系统，实验后半段用DB法进行测试，第二次测试，将测试系统反过来进行[12]。结果显示，VO2000系统VE较为接近，CV在7.3～8.8%；VO2和VCO2的CV为14.2%～15.8%，而DB法的CV为5.3%～6.0%，因而认为VO2000系统的重复测量信度较DB法差。同样，若以CV＜10%做为评判标准的话[40]，这套系统的测量信度和效度不甚理想。

效度方面，Crouter SE等在同一个实验中，VO2000系统测得的VE，在50～100 W时与DB法有显著性差异（P＜0.05），VO2在安静和100～250 W时都高于DB法（P＜0.05），VCO2在安静和200～250 W时，与DB法有显著性差异，该系统测量效度较差[12]。

3 分析与讨论

3.1 便携式遥测气体代谢仪存在的问题

对常见的几套便携式遥测气体代谢仪的测量信度和效度分析，结果表明，在运动强度不是特别大时，这几套便携式遥测气体代谢仪的核心指标VE、VO2、VCO2测量的信度和效度较好。而当运动强度较大时，测量的信度和效度不够理想。其原因，一方面可能是部分研究设计造成的，如：在较大运动强度阶段，运动时间较短，运动未达到稳态；另一方面，运动强度较大时，呼出气中的湿度较大，且可能呼出口水，增加了涡轮扇片的转动摩擦力，导致VE测量不准确，进而引起VO2、VCO2测量的误差。

另外，在采用便携式气体代谢仪（也是基于间接测热法）去评价体力活动量时，需要注意便携式气体代谢仪的能量消耗量公式是基于两个假设。第一个假设是：呼吸交换率（RER）等同于RQ。当进行中、低等强度运动时，机体内的能源物质完全有氧氧化，此时RER相当于RQ。而当进行较大强度运动时，出现乳酸堆积，血液中H+浓度升高，会与碳酸氢盐池中的[HCO3-]中和，释放CO2，会使得RER＞RQ，就造成碳水化合物参与供能被高估，脂肪参与供能被低估。因此，Jeukendrup AE等认为，当运动强度＞75%VO2max时，其计算结果的准确性将会受到质疑[33]。另一个假设是在机体的代谢过程中，完全没有糖异生（乳酸、丙酮酸、甘油等）。实际上，长时间的耐力运动过程中是会发生糖异生的。糖异生过程需要消耗能量，同时也会影响RQ，因而会影响能量消耗量的计算结果。

3.2 便携式遥测气体代谢仪测量注意事项

影响便携式遥测气体代谢仪测量结果的因素较多[34]。因而，为了确保这些便携式遥测仪获得准确有效的测量数据，为避免和减少测量引起的误差，测试时应注意以下几点。（1）实验前要对气压、流量传感器、O2和CO2分析器进行校准，因为摄氧量测量的准确程度与通气量和气体成分测量的精确性密切相关；（2）要有正确的设置和操作；（3）只有当运动达到稳态时，能量消耗量才能准确确定。通常DB法测试时，只收集运动3～6 min时的呼出气进行测试，因为此时气体交换达到一种稳定状态。

4 小结

便携式遥测气体代谢仪可以很好地评价自由活动状态下不同体力活动的能量消耗量。在使用便携式遥测气体代谢仪时，应注意其核心指标测量的信度和效度。其中，Cosmed K4b2、Metamax 3B和Oxycon Mobile II这3套典型便携遥测气体分析仪的核心指标VE、VO2、VCO2的测量具有较好的信度和效度，特别是当运动强度低于75%VO2max，而当运动强度高于75%VO2max时，其测量的信度和效度略差。这些设备可以应用于较为广泛的体力活动评价范围（以有氧代谢为主的体力活动）。建议同时测量运动后即刻的血乳酸，判断其是否以有氧代谢为主。另外，VO2000便携式气体代谢仪VE、VO2、VCO2的测量信度和效度较差。因而，在实际的选择和应用中，应考虑这些差别。此外，在测试过程中应严格按规范操作，减少人为造成的测量误差。建议多开展大强度运动和复杂体力活动模式下设备测量的信度和效度研究，以便对仪器的应用范围有更深刻的了解。

[1]李之俊,向剑锋,刘欣,等.运动促进健康研究新进展[J].体育科研,2012,33（2）:1-15.

[2]乔玉成,王卫军.全球人口体力活动不足的概况及特征[J].体育科学,2015,（8）:8-15.

[3]Cecchini M.,Sassi F.,Lauer J.A.,et al.Tackling of unhealthy diets,physical inactivity,and obesity:health effects and cost-effectiveness[J].Lancet,2010,376（9754）:1775-1784.

[4]Huang P.L.A comprehensive definition for metabolic syndrome[J].Dis Model Mech,2009,2（5-6）:231.

[5]Yu Z.,Ye X.,Wang J.,et al.Associations of physical activity with inflammatory factors,adipocytokines,and metabolic syndrome in middle-aged and older chinese people[J].Circulation,2009,119（23）:2969-2977.

[6]Lamonte M.J.,Blair S.N.,Church T.S.Physical activity and diabetes prevention[J].J Appl Physiol,2005,99（3）:1205-1213.

[7]Yates T.,Khunti K.,Troughton J.,et al.The role of physical activity in the management of type 2 diabetes mellitus[J].Postgrad Med.J.,2009,85（1001）:129-133.

[8]Garg P.K.,Tian L.,Criqui M.H.,et al.Physical activity during daily life and mortality in patients with peripheral arterial disease[J].Circulation,2006,114（3）:242-248.

[9]Branson R.D.,Johannigman J.A.The measurement of energy expenditure[J].Nutr.Clin.Pract.,2004,19（6）:622-636.

[10]Brehm M.A.,Harlaar J.,Groepenhof H.Validation of the portable VmaxST system for oxygen-uptake measurement[J].Gait posture,2004,20（1）:67-73.

[11]Bassett D.R.,Howley E.T.,Thompson D.L.,et al.Validity of inspiratory and expiratory methods of measuring gas exchange with a computerized system[J].J.Appl.Physiol,2001,91（1）:218-224.

[12]Crouter S.E.,Antczak A.,Hudak J.R.,et al.Accuracy and reliability of the ParvoMedics TrueOne 2400 and Med-Graphics VO2000 metabolic systems[J].Eur.J.Appl.Physiol,2006,98（2）:139-151.

[13]Mclaughlin J.E.,King G.A.,Howley E.T.,et al.Validation of the COSMED K4 b2 portable metabolic system[J].Int.J.Sports Med.,2001,22（4）:280-284.

[14]Hopker J.G.,Jobson S.A.,Gregson H.C.,et al.Reliability of cycling gross efficiency using the Douglas bag method[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2012,44（2）:290-296.

[15]Shephard R.J.A critical examination of the Douglas bag technique[J].J.Physiol,1955,127（3）:515-524.

[16]Macfarlane D.J.Automated metabolic gas analysis systems:a review[J].Sports Med.,2001,31（12）:841-861.

[17]Bland J.M.,Altman D.G.Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement[J].Lancet,1986,1（8476）:307-310.

[18]Hopkins W G.Measures of reliability in sports medicine and science[J].Sports Med.,2000,30（1）:1-15.

[19]张磊,王绵珍,王治明,等.动静态心肺功能遥测系统重测信度的评价[J].工业卫生与职业病,2003,29（1）:29-33.

[20]Stookey A.D.,Mccusker M.G.,Sorkin J.D.,et al.Testretest reliability of portable metabolic monitoring after disabling stroke[J].Neurorehabil Neural Repair,2013,27（9）:872-877.

[21]Darter B.J.,Rodriguez K.M.,Wilken J.M.Test-retest reliability and minimum detectable change using the K4b2:oxygen consumption,gait efficiency,and heart rate for healthy adults during submaximal walking[J].Res.Q.Exerc.Sport,2013,84（2）:223-231.

[22]Keefer D.J.Effects of Body Movement on the Reliability of a Portable Gas Analysis System[J].Human Movement,2013,14（1）:82-86.

[23]Veluswamy S.K.,Guddattu V.,Maiya A.G.Test-retest reliability of a portable gas analysis system under free living conditions[J].Indian J.Physiol Pharmacol,2015,59（1）:117-120.

[24]Duffield R.,Dawson B.,Pinnington H.C.,et al.Accuracy and reliability of a Cosmed K4b2 portable gas analysis system[J].J.Sci.Med.Sport,2004,7（1）:11-22.

[25]刘健敏,徐增年,李颜,等.心肺功能测定仪与多氏袋测定健康青年能量消耗的对比[J].中华预防医学杂志,2010,44（9）:795-799.

[26]Macfarlane D.J.,Wong P.Validity,reliability and stability of the portable Cortex Metamax 3B gas analysis system[J].Eur.J.Appl.Physiol,2012,112（7）:2539-2547.

[27]Prieur F.,Castells J.,Denis C.A methodology to assess the accuracy of a portable metabolic system（VmaxST）[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2003,35（5）:879-885.

[28]Perkins C.D.,Green M.R.,Pivarnik J.M.Reliability andvalidityofthesensormedicsVmaxSTportablemetabolic analyzer[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2002,34（5）:S4.

[29]Blessinger J.,Sawyer B.,Davis C.,et al.Reliability of the VmaxST portable metabolic measurement system[J].Int.J.Sports Med.,2009,30（1）:22-26.

[30]Vogler A.J.,Rice A.J.,Gore C.J..Validity and reliability of the Cortex MetaMax3B portable metabolic system[J].J.Sports Sci.,2010,28（7）:733-742.

[31]Sailer Eriksson J.,Rosdahl H.,Schantz P.Validity of the Oxycon Mobile metabolic system under field measuring conditions[J].Eur.J.Appl.Physiol,2012,112（1）:345-355.

[32]Rosdahl H.,Gullstrand L.,Sailer-Eriksson J.,et al.E-valuation of the Oxycon Mobile metabolic system against the Douglas bag method[J].Eur.J.Appl.Physiol,2010,109（2）:159-171.

[33]Jeukendrup A.E.,Wallis G.A.Measurement of substrate oxidationduringexercisebymeansofgasexchangemeasurements[J].Int.J.Sports Med.,2005,26（Suppl 1）:S28-S37.

[34]Atkinson G.,Davison R.C.,Nevill A.M.Performance characteristics of gas analysis systems:what we know and what we need to know[J].Int.J.Sports Med.,2005,26（Suppl 1）:S2-S10.