摘 要：本文介紹了人體代謝艙的測定原理和分類，說明其在能量檢測中的優(yōu)勢，從生理學(xué)研究、能量代謝評估與疾病診斷、藥物研發(fā)、環(huán)境模擬與生存狀態(tài)評估四個方面總結(jié)人體代謝艙的應(yīng)用現(xiàn)狀。同時，從標(biāo)準(zhǔn)化角度出發(fā)，分析人體代謝艙的標(biāo)準(zhǔn)化需求，調(diào)研標(biāo)準(zhǔn)化研究現(xiàn)狀，闡明現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)化挑戰(zhàn)并提出相應(yīng)對策，以期為人體代謝艙相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：人體代謝艙，應(yīng)用進展，標(biāo)準(zhǔn)化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.17.009

0 引 言

新陳代謝是生命最基本的特征之一，其包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個方面。機體通過物質(zhì)代謝，從外界攝取營養(yǎng)物質(zhì)，同時經(jīng)過體內(nèi)分解吸收將其中蘊藏的化學(xué)能釋放出來轉(zhuǎn)化為組織和細(xì)胞可以利用的能量，人體利用這些能量來維持生命活動。通常將在物質(zhì)代謝過程中所伴隨的能量的釋放、轉(zhuǎn)移、貯存和利用稱為能量代謝。

能量代謝的測量方法有很多，如直接測熱法、間接測熱法、雙標(biāo)水法、心率檢測法、運動傳感器法、自我報告法等。多項研究已表明，能量代謝異常與糖尿病、肥胖、心血管疾病、癌癥等一系列重大慢性非傳染性疾病以及老齡化密切相關(guān)，加強對機體能量代謝調(diào)控機制的基礎(chǔ)研究，深入探究能量代謝的規(guī)律，可以幫助人們更好地了解身體健康狀態(tài)，采取相應(yīng)的預(yù)防和治療措施。

1 人體代謝艙概述

1.1 人體代謝艙測定原理

人體代謝艙是國際公認(rèn)的人體能量代謝測量的金標(biāo)準(zhǔn)，又稱“人類生存實驗室”，是一種人體代謝指數(shù)測量系統(tǒng)，可對人體在靜息、日常、運動等各種狀態(tài)下進行精確的能量代謝監(jiān)測。它利用了間接測熱法的原理，通過收集艙體內(nèi)的O2和CO2，采用高精密氣體濃度分析儀器測定人體O2消耗、CO2排出量，可無擾、連續(xù)、實時計算人體能量代謝消耗及糖、脂肪、蛋白質(zhì)三大供能營養(yǎng)物質(zhì)的消耗速率，實現(xiàn)了人體高維度的數(shù)據(jù)采集和高精度的時序隊列分析，對于促進健康和防控重大疾病具有重要意義。

1.2 人體代謝艙分類

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)代謝艙

一個環(huán)境舒適的家居環(huán)境，適用于長時間人體能量代謝監(jiān)測，探測人體在代謝艙內(nèi)各個行為模式或生理狀態(tài)下的能量消耗、呼吸商等重要的生理參數(shù)。研究人員以無感方式采集不同外部干預(yù)刺激下人體呼出CO2和吸入O2含量的微弱變化，進而分析測定人體動態(tài)代謝率，一般實驗時長為24～72 h。

1.2.2 靜息代謝艙

又稱“食物熱效應(yīng)代謝艙”，可以獲得極高時間分辨率的代謝測試數(shù)據(jù)，受試者每一個極小變化均可被捕捉到，可用于短時間能量代謝監(jiān)測，一般實驗時長為0.5～2 h。

1.2.3 環(huán)境模擬代謝艙

除了有標(biāo)準(zhǔn)代謝艙全部功能外，還可通過氧氣濃度控制裝置，精準(zhǔn)模擬不同海拔高度的氧分壓狀態(tài)，實現(xiàn)機體在縱向空間環(huán)境下能量代謝的相關(guān)研究。

1.3 人體代謝艙在能量檢測中的優(yōu)勢

人體代謝艙在能量檢測過程中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

（1）實時性：實現(xiàn)人體數(shù)據(jù)實時反饋、多項能量代謝指標(biāo)同時測定、長時程觀測受試者自由活動狀態(tài)等。

（2）高效性：能夠同時測算24 h能量消耗及其組分。

（3）準(zhǔn)確性：與呼吸頭罩的總體準(zhǔn)確性相當(dāng)，而且在個體水平較公式法計算BMR、運動計法測算更為精準(zhǔn)。

（4）舒適性：與呼吸頭罩、兜罩等測量方式相比，可以最大程度模擬受試者的日常生活狀態(tài)，減少設(shè)備佩戴所造成的活動限制，實現(xiàn)長時間持續(xù)測量[1]。

2 人體代謝艙的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生理學(xué)研究

人體代謝艙能夠提供關(guān)于人體能量代謝的詳細(xì)信息，對于理解人體在靜息、日?；顒右约疤囟ㄉ項l件下的能量需求和代謝模式至關(guān)重要。國內(nèi)已有團隊先后攻克了高精度差分氧濃度傳感、增量式多點采樣、艙體氣體快速混合、代謝模型算法設(shè)計、呼吸代謝模擬驗證平臺等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出國內(nèi)首套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的智慧代謝艙，進一步拓展集成了人體代謝組學(xué)分析與腸道菌群宏基因組學(xué)分析，實現(xiàn)對人體代謝多維度、多層次動態(tài)監(jiān)測與集成分析。

2.2 能量代謝評估與疾病診斷

2.2.1 在代謝性疾病中的應(yīng)用

在過去幾十年，代謝性疾病患病率逐漸升高，人們愈發(fā)關(guān)注能量代謝平衡在代謝疾病中的作用，由此帶來人體代謝艙在醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用的廣泛前景[2]。

（1）肥胖癥

肥胖是一種慢性疾病，是誘發(fā)高血壓、冠心病、2型糖尿病、血脂代謝異常和其他慢性疾病的根源。引起肥胖的主要原因是不良的飲食習(xí)慣，尤其是過多的脂肪攝入，以及靜止的生活方式，引起熱能攝入與消耗的失衡，造成脂肪在體內(nèi)的過度蓄積。運用人體代謝艙測量肥胖癥患者的能量消耗和代謝參數(shù)，可以評估其能量代謝狀態(tài)，探究肥胖的能量消耗率的改變或病因，分析能量消耗與能量攝入的關(guān)系，以實現(xiàn)能量平衡及肥胖精準(zhǔn)診治。

（2）2型糖尿病

2型糖尿病是21世紀(jì)危害公共衛(wèi)生最嚴(yán)重的疾病之一， 其發(fā)病機制至今尚不清楚， 目前已知涉及胰島素抵抗、β細(xì)胞功能缺陷、胰島α細(xì)胞功能異常和胰高血糖素樣肽-1分泌缺陷等[3]。運用人體代謝艙對2型糖尿病患者或具有2型糖尿病危險因素的個體進行能量代謝率檢測，正確評估胰島β細(xì)胞功能、早期干預(yù)并制訂合適的治療方案對于延緩2型糖尿病的進展具有重要的臨床意義[4]。

2.2.2 在內(nèi)分泌疾病中的應(yīng)用

機體的能量代謝主要通過神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)，下丘腦是調(diào)節(jié)適應(yīng)性產(chǎn)熱的中樞，多種神經(jīng)內(nèi)分泌激素在下丘腦中同時起調(diào)節(jié)攝食和能量消耗的作用[5]。下丘腦、垂體、甲狀腺、腎上腺等內(nèi)分泌腺體分泌的激素是能量代謝調(diào)節(jié)的重要因素，激素水平異?？蓪?dǎo)致能量代謝改變。利用人體代謝艙探究疾病狀態(tài)及治療后的能量代謝率改變，能夠為內(nèi)分泌疾病的診治和能量平衡提供關(guān)鍵證據(jù)。

2.3 藥物研發(fā)

人體代謝艙可用于評估藥物對人體能量代謝的影響，從而幫助研究人員了解藥物的療效和安全性。例如，在開發(fā)治療肥胖癥或糖尿病的藥物時，人體代謝艙可用于評估藥物對能量消耗、脂肪氧化和葡萄糖代謝等指標(biāo)的影響，以及在不同生理條件下的代謝動力學(xué)和藥效學(xué)特性，對于優(yōu)化藥物劑量、提高藥物療效和降低不良反應(yīng)具有重要意義，為藥物的臨床應(yīng)用提供重要參考。

2.4 環(huán)境模擬與生存狀態(tài)評估

人們的健康依賴于機體暴露的環(huán)境，但“蝴蝶效應(yīng)”使環(huán)境變化的最終結(jié)果存在不確定性，導(dǎo)致人們對環(huán)境影響健康的機制知之甚少。人體代謝艙可以模擬各種極端環(huán)境，如高原、寒冷、高溫等，以評估人體在這些環(huán)境下的生存狀態(tài)和能量代謝變化，對于研究人體對環(huán)境的適應(yīng)性、制定應(yīng)急救援措施等具有重要意義。

3 人體代謝艙的標(biāo)準(zhǔn)化研究

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化需求

人體代謝艙作為內(nèi)分泌代謝和精準(zhǔn)營養(yǎng)研究重要科研平臺，已被列入衛(wèi)健委國家內(nèi)分泌代謝臨床中心和區(qū)域中心的標(biāo)準(zhǔn)化配置。人體代謝艙一般是由監(jiān)測工作站和代謝艙體組成，監(jiān)測工作站包含能量代謝監(jiān)測主機和電腦等；艙體通常裝配正常的生活設(shè)施、控溫系統(tǒng)、安全報警裝置等，并會根據(jù)具體的需求進行調(diào)整。

隨著人體代謝艙在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外人體代謝艙生產(chǎn)企業(yè)逐漸增多，人體代謝艙市場正朝著智能化、便攜化、多功能化的方向發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新進一步推動了市場的發(fā)展，但是人體代謝艙的生產(chǎn)、配置、使用、后期維護等過程目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這就造成了各個過程的不統(tǒng)一，亟需制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性，提高研究的科學(xué)性和可靠性，促進代謝艙技術(shù)的普及和應(yīng)用，推動相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化研究現(xiàn)狀

人體代謝艙作為一個新興研究領(lǐng)域，目前國內(nèi)外暫無直接關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)多集中在人體監(jiān)測方面，其中ISO 8996：2021規(guī)定了在熱工作環(huán)境的人體工程學(xué)背景下測定代謝率的不同方法，還可以用于評估工作實踐、特定工作或體育活動的能量消耗以及活動的總能量消耗。GB/T 18048—2008規(guī)定了在工作氣候環(huán)境下的各種代謝率測定方法，適用于工作行為評估，特定工作、體育運動的體能消耗估算，以及特定活動的總能耗估算等。WS/T 424—2013規(guī)定了人體身高（長）、體重、頭圍、腰圍、臀圍和皮褶厚度的測量方法及技術(shù)要求，適用于人群營養(yǎng)調(diào)查、健康狀況調(diào)查及監(jiān)測時的人體測量。T/HBAS 017—2023規(guī)定了健康風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警處置的術(shù)語和定義、基本要求、監(jiān)測及預(yù)警處置流程、監(jiān)測內(nèi)容與要求、預(yù)警處置要求、服務(wù)要求、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、服務(wù)評價與改進，適用于基于穿戴式體征監(jiān)測儀連續(xù)數(shù)據(jù)采集進行的預(yù)警處置。

國內(nèi)外人體代謝艙相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化挑戰(zhàn)與對策

近年來，國內(nèi)外在人體代謝艙標(biāo)準(zhǔn)化研究方面取得了一定進展。然而，人體代謝艙標(biāo)準(zhǔn)化研究仍面臨一些挑戰(zhàn)：

（1）設(shè)備方面，國內(nèi)人體代謝艙的購置和使用大多依賴進口，不僅增加了科研成本，也在一定程度上限制了技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，同時，特殊的場景需求也對設(shè)備的精度和穩(wěn)定性提出了較高要求。通過加大人體代謝艙等關(guān)鍵設(shè)備的自主研發(fā)力度，提高設(shè)備的國產(chǎn)化率，降低科研成本，推動人體代謝艙的普及和應(yīng)用，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）技術(shù)方面，人體代謝艙能夠監(jiān)測人體能量代謝的詳細(xì)信息，操作規(guī)范的不統(tǒng)一也會對數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生影響。通過制定統(tǒng)一的操作規(guī)范，包括受試者準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、處理和分析等環(huán)節(jié)的詳細(xì)規(guī)定，借助人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，對人體代謝艙產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)更多有價值的生物學(xué)信息。

（3）數(shù)據(jù)方面，人體代謝艙產(chǎn)生的數(shù)據(jù)龐大且復(fù)雜，包括多種生理參數(shù)和代謝物測量結(jié)果，需要高度的技術(shù)和計算能力進行處理，但是不同實驗室、平臺或技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)存在差異，使得數(shù)據(jù)整合和比較變得困難?？梢越⒔y(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理和分析方法，確保實驗結(jié)果的可比性和可重復(fù)性，加強對數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制和管理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié) 語

人體代謝艙是國際公認(rèn)的人體能量代謝測量的金標(biāo)準(zhǔn)，具有精密準(zhǔn)確、舒適、簡便、安全的優(yōu)點，可連續(xù)監(jiān)測幾乎所有代謝參數(shù)，在能量代謝、疾病機制、藥物研發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。人體代謝艙是人工智能技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的一次全新嘗試，它通過智能傳感器與深度學(xué)習(xí)算法分析生活方式與疾病之間的關(guān)聯(lián)性。未來，可以通過醫(yī)工交叉深度融合，完善人體代謝艙技術(shù)特色，發(fā)揮人體代謝艙的臨床和科研價值，推動人體代謝艙科研平臺的標(biāo)準(zhǔn)化，以高水平科技創(chuàng)新助力健康中國建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

王萍萍，碩士研究生，工程師，研究方向為標(biāo)準(zhǔn)化。

許俊，碩士研究生，高級工程師，研究方向為標(biāo)準(zhǔn)化。

（責(zé)任編輯：袁文靜）