Методы измерения энергозатрат физически активных людей

1. Энергетический баланс
2. I. Калориметрические методы
3. Метод прямой калориметрии
4. I. Калориметрические методы
5. Метод прямой калориметрии
6. Метод непрямой калориметрии
7. II. Неккалориметрические методы измерения выхода энергии методом двойной метки воды
8. Измерение сердечного ритма
9. Методы измерения расхода энергии на основе датчиков движения
10. Сроки и табличный метод (анкета)
11. Сравнительный анализ методов измерения энергозатрат
12. Ссылки:

Для человека источником энергии, необходимой для жизни, является химическая энергия, содержащаяся в компонентах пищи. Один грамм углеводов, как 1 грамм белка, обеспечивает 4 ккал, а окисление одного грамма жиров, содержащихся в потребляемой пище, связано с выделением 9 ккал (1 г алкоголя - 6 ккал).

Рис. pixabay.com

Согласно рекомендациям по рациональному питанию, калорийность белков, жиров и углеводов не эквивалентна, потому что в правильно составленном ежедневном рационе питания большая часть энергии должна поступать из углеводов (55-75%), а жиры не должны обеспечивать более 30% (15-30%). ). Доля белка в суточном количестве энергии, поступающей с диетой, должна быть в пределах 10-15%.

Энергетический баланс

Калорийность рациона должна покрывать потребность в энергии, связанную с ежедневными энергетическими затратами человека. Поддержание сбалансированного энергетического баланса (количество энергии, поступающей с пищей, уравновешивает количество энергии, расходуемой на мероприятия, предпринимаемые в течение дня), является важным принципом рационального питания не только для спортсменов. Контроль калорийности суточного рациона человека с высокой физической активностью в контексте балансировки ежедневных энергетических затрат влияет не только на поддержание правильного состава массы тела, но также на сохранение здоровья и оптимальную физическую форму.

I. Калориметрические методы

Эти методы используют метаболический критерий тепла (прямая калориметрия) или замены дыхательных газов (непрямая калориметрия).

Метод прямой калориметрии

Это самый старый способ определения расхода энергии, основанный на предположении, что каждая форма энергии, используемая организмом (механическая, химическая или электрическая энергия), в конечном итоге преобразуется в тепловую энергию, поэтому количество выделяемого организмом тепла отражает уровень преобразования энергии (балансирует количество потребляемой энергии). , Измерение состоит в определении количества тепла, выделяемого телом, расположенным в калориметрической камере, устройстве, напоминающем комнату, окруженную круговоротом воды. На основании повышения температуры воды, окружающей стенку камеры, определяется количество выделяемого тепла (за единицу времени).

Чтобы определить количество энергии, необходимое для удовлетворения энергетических потребностей спортсмена и, таким образом, обеспечить достижение сбалансированного энергетического баланса, следует установить расход энергии на целый день. Различные методы измерения (прямая калориметрия, непрямая калориметрия и некалориметрические методы) служат этой цели, отличаясь, в частности, точностью измерений и стоимостью проведения определений.

Методы измерения физической активности

I. Калориметрические методы

Эти методы используют метаболический критерий тепла (прямая калориметрия) или замены дыхательных газов (непрямая калориметрия).

Метод прямой калориметрии

Это самый старый способ определения расхода энергии, основанный на предположении, что каждая форма энергии, используемая организмом (механическая, химическая или электрическая энергия), в конечном итоге преобразуется в тепловую энергию, поэтому количество выделяемого организмом тепла отражает уровень преобразования энергии (балансирует количество потребляемой энергии). , Измерение состоит в определении количества тепла, выделяемого телом, расположенным в калориметрической камере, устройстве, напоминающем комнату, окруженную круговоротом воды. На основании повышения температуры воды, окружающей стенку камеры, определяется количество выделяемого тепла (за единицу времени).

Метод непрямой калориметрии

Основой метода непрямой калориметрии является предположение, что энергия, используемая организмом, получается в результате окисления питательных веществ (углеводов, жиров и белков). В этих реакциях кислород и углекислый газ потребляются в количествах, пропорциональных затраченной энергии.

Измерение расхода энергии заключается в респираторном определении обмена дыхательных газов (объема используемого кислорода и выделенного диоксида углерода) за единицу времени. Количество затраченной энергии рассчитывается на основе энергетического эквивалента кислорода, значение которого зависит от коэффициента дыхания (R) (R = VCO2 / VO2) и находится в диапазоне 0,70-1,0. Для R, равного 0,71, энергетический эквивалент составляет 4,68 ккал, а для R, равного 1,0, энергетический эквивалент составляет 5,0. Стоит отметить, что величина дыхательного коэффициента зависит от многих факторов, в том числе на тип используемой энергетической подложки. Например, при потреблении энергии только из углеводов R составляет 1, а при использовании жиров в качестве единственного источника энергии - 0,7. Итак, измерение так называемого Стоимость кислорода (л * мин-1 или мл * кг-1 * мин-1) и зная энергетический эквивалент кислорода, вы можете определить теплотворную способность деятельности.

Косвенная калориметрия считается особенно полезным методом при оценке расхода энергии на физические упражнения, особенно аэробные (аэробные). Затраты энергии на энергию могут быть критерием для классификации работ различной степени тяжести (Таблица 1).

Таблица 1. Классификация физических усилий в зависимости от стоимости энергии. Объем труда. Стоимость энергии / чел.
(ккал * мин-1) Потребление кислорода
(л * мин-1) легкий вес выше 2,5 выше 0,5 умеренный выше 5 выше 1,0 сильный значительно выше 7,5 выше 1,5 очень тяжелый выше 10 выше 2,0 чрезвычайно тяжелый выше 12,5 выше 2,5

В случае более длинных измерений, выполняемых косвенно с помощью непрямой калориметрии, количество азота, выделяемого с мочой в течение их продолжительности, также следует принимать во внимание. Чтобы рассчитать количество потраченной энергии, вы можете использовать формулу, разработанную Эли и Либси:
EE = 15,91 * VO2 + 52,07 * VCO2 - 4,664 * N2 EE = расход энергии (кДж / мин). Объемы кислорода и диоксида углерода выражены в дм3 / мин, а азота - в г / мин.

Для испытаний используются приборы, называемые респирометрами, состоящие из масок, анализаторов состава дыхательных газов и беспроводной системы контроля сердцебиения. В настоящее время существует два типа эргоспирометров: стационарные (чаще всего используемые в лабораторных условиях) и мобильные (переносные), используемые в основном для полевых измерений, например, эргометр 2000M, MES или COSMED K2.

Стационарная и переносная эргометрия

Расход энергии также может быть выражен в МЕТ метаболическом эквиваленте. Один MET соответствует кислороду в состоянии покоя (около 3,5 мл * кг-1 * мин-1). В последнее время значение метаболического эквивалента стало определять интенсивность физической активности, представляя ее как кратное одного МЕТ. Один MET определяет потребление одной килокалории энергии на один килограмм веса тела за один час отдыха (спокойное сидение) (ккал / кг / ч), а количество MET означает, во сколько раз больше энергии потребляется во время тренировки, чем в затраченной энергии во время отдыха. Очень медленная прогулка (<3 км / ч) - это небольшая физическая активность, называемая 2 MET, свободная прогулка (3 км / ч) - 2,5 MET. Умеренный уровень физической активности находится в диапазоне 3-6 МЕТ, например, быстрая ходьба (6 км / ч) - 3 МЕТ, катание на лыжах для отдыха - 5 МЕТ, езда на велосипеде со скоростью 15-18 км / ч или классы средней интенсивности. фитнес - 6 МЕТ. Интенсивная физическая активность - это расход энергии 7-12 МЕТ, например, теннис (одиночные игры) или бег на скорости 8 км / ч - 8 МЕТ, плавание (ползание) - 10 МЕТ, бег (12 км / ч) - 12 МЕТ. Умножив количество МЕТ на количество килограммов массы тела и продолжительность данной активности (выраженной в часах), вы можете оценить затраты энергии на эту деятельность.

Эргоспирометрическое испытание энергозатрат - метод непрямой калориметрии

II. Неккалориметрические методы измерения выхода энергии методом двойной метки воды

Метод воды с двойной маркировкой (DLW) включает маркировку молекул воды, содержащихся в жидкостях организма, постоянными изотопами 18O и 2H (дейтерий), вводимыми перорально, и затем измерение скорости выведения каждого из этих изотопов из организма. Расход энергии сопровождается выделением CO2 и воды в результате катаболических изменений. Отмеченный кислород будет в секретируемой воде и углекислом газе, поэтому он будет удаляться быстрее, чем дейтерий, избыток которого будет удален с водой. Разница в скорости распада обоих изотопов используется для определения количества выделенного CO2 (пропорциональная зависимость), возникающего в результате метаболизма, который является основой для расчета общих энергетических затрат испытуемого в течение длительного периода измерения (до 3 недель). Метод двойной маркировки воды считается стандартом для измерения физической активности.

В следующей группе методов для измерений используются специальные приборы (счетчики).

Измерение сердечного ритма

Мониторинг сердечного ритма может быть способом косвенного определения потребления кислорода для определения расхода энергии. В методе используется явление увеличения интенсивности преобразования энергии в результате увеличения снабжения клеток кислородом и энергетическими субстратами. Связанное с этим усиление кровотока проявляется изменениями частоты сердечных сокращений. Метод основан на линейной взаимосвязи между частотой сердечных сокращений (ЧСС) и поглощением кислорода (VO2) во время тренировки. Измерению должно предшествовать определение индивидуального отношения регрессии HR / VO2 при усилии различной интенсивности. Этот метод может означать энергозатраты на усилия и энергозатраты в течение 24 часов (мониторинг частоты сердечных сокращений с высокой частотой, например, каждую минуту). Определяются периоды времени, в которые VO2 оценивается по кривой линейной регрессии, и периоды, в которых расход энергии соответствует метаболизму в состоянии покоя, а затем суммирует все расходы.

Наиболее широко используемым инструментом для постоянного мониторинга сердца является POLAR SPORT TESTER, состоящий из небольшого передатчика на ремешке, установленного на груди, и монитора наручных часов в форме часов. Через интерфейс к компьютеру можно передавать собранные данные, что позволяет проводить дальнейший анализ.

Методы измерения расхода энергии на основе датчиков движения

Простейшими методами оценки расхода энергии являются методы, использующие электронные или механические датчики движения, регистрирующие, например, количество шагов (шагометры, шагомеры) или анализирующие движение тела в пространстве (акселерометры).

Рис.6.

Шагомер

Методы измерения расхода энергии, основанные на кинематическом анализе, основаны на предположении, что физическая активность выражается смещением тела в пространстве благодаря работе соответствующих групп мышц, что напрямую связано с расходом энергии. Измерение состоит в обнаружении и регистрации движения (ускорения тела) в пространстве. Самое простое используемое устройство - шагомер, размещенный на уровне талии, с помощью которого количество шагов, сделанных обследуемым, рассчитывается в течение 24 часов или в другое указанное время. Его функционирование основано на работе маятника и регистрации изменений скорости движения (например, сидя, ходьба, бег), но без возможности оценки интенсивности выполняемых действий.

Более точными устройствами являются акселерометры (акселерометры), одним из которых является преобразование зарегистрированного движения в килокалории и оценка интенсивности, частоты и продолжительности усилий. Большинство акселерометров имеют встроенный элемент из пизоэлектрической и сейсмической массы, и в их работе используется явление pizoelektryczne. В результате ускорения сейсмической массы происходит деформация пизоэлектрического элемента (изгиб, растяжение, сжатие), который в свою очередь генерирует сигнал об изменении выходного напряжения, который пропорционален ускорению. Из-за количества плоскостей оси, в которых можно измерить ускорение, различают одноосные акселерометры (измерение по вертикальной оси) и двух- или трехосные ускорители (по поперечной и сагиттальной осям).

Рис.7.

Акселерометр

На рынке доступны мониторы 1 или 2 поколения. Первыми из них являются одиночные акселерометры, которые носят на уровне талии, запястья или лодыжки (Caltrac, Tritrac-R-3D, RT3, ActiGraph, Actical, Actiwatch), а акселерометры второго поколения представляют собой мультисенсорные приборы (мультисенсорные), установленные на разных сегментах тело (IDEEA, MINISUN) и сочетание определения ускорения с регистрацией физиологических параметров, например частоты сердечных сокращений, температуры тела (ActiHeart, ActiTrainer).

Сроки и табличный метод (анкета)

Он состоит из скрупулезной записи в дневнике или специальной анкеты (в виде таблицы) обо всех действиях, предпринятых в течение 24 часов, с указанием их продолжительности (мин или ч) ( см. пример [PDF] ).

На основе таблиц затрат на энергию для отдельных видов деятельности (источник литературы - Celejowa 1983, таблица 3.) расход энергии рассчитывается путем умножения затрат энергии на эту деятельность на продолжительность действия и массу тела обследуемого лица. Например, энергозатраты на девятичасовой сон человека с массой тела 80 кг равняются 734 ккал (0,017 * 540 * 80) (таблица 4).

Таблица 3. Пример затрат энергии на различные виды деятельности ТИП ЕЖЕДНЕВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ккал / мин / кг Сон 0,017 Лежа без сна 0,018 Отдых в сидячем положении 0,024 Питание (питание) 0,025 Чтение 0,021 Наука 0,025 Свободное положение 0,027 Уроки колледжа 0,027 Переодевание 0,042 Туалетные принадлежности 0,042 Вождение автомобиля 0,044 Ходьба (ходьба) 0.045 Спуск по лестнице: 0.043-0.05. Подготовка к тренировке 0.047 Активный отдых 0.047 Игра с детьми 0.055 Домашние занятия 0.050 Гимнастика 0.071 Март (5.5 км / ч) 0.089 Проведение покупок (вес 10 кг) 0.092 Подъем 0.119-0.246 ВИД ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ И РЕКРЕАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ккал / мин / кг Работа по дому (легкая) 0,017-0,050 Работа в офисе 0,024-0,029 Работа в лаборатории 0,035-0,05 Работа в строительной отрасли 0,033-0,10 Работа в легкой промышленности 0,025-0,08 Работа в промышленности автомобиль 0,03 Рекреационный спорт 0,04-0,11 Работа по дому (в среднем) 0,05-0,07 Работа в более мыслители стали 0,07-0,17 Сельское хозяйство 0,06-0,13 Работа по дому (тяжелая) 0,07-0,10
Таблица 4. Оценка энергозатрат отдельных видов деятельности человека с массой тела 80 кг. ВИД ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТОИМОСТЬ ОПЕРАЦИЙ [ккал / мин / кг] ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ [мин] ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСХОДЫ [ккал] Сон 0,017 540 734,4 Ложь без сна 0,018 10 14,4 Прием пищи 0,025 60 120 Чтение, обучение 0,027 120 259,2 .... .... .... .... .... .... ....

В зависимости от величины затрат энергии на различные виды деятельности они были классифицированы как очень легкие, легкие, средне тяжелые, тяжелые, очень тяжелые и чрезвычайно тяжелые работы (таблица 5).

Таблица 5. Пример энергозатрат на различные виды деятельности - таблица тяжести работы. ТИП РАБОТЫ ПО СКОРОСТИ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ СЕРДЦЕ ПРИ МИНУТНОМ ПРИБЛИЖЕННОМ ЗАРЯДЕ ЭНЕРГИИ [ккал / мин. / человек] ПРИМЕРЫ ВИДОВ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОЧЕНЬ ОСВЕЩЕННЫЙ ДО 75-2,5 сна, спокойный отдых без сна, отдых, занятия, выполняемые сидя (слушание, чтение, письмо, просмотр телевизора, прием пищи, езда на автобусе, автомобиль), бесплатная доставка LIGHT 75- 100 2,5-5,0 туалетных процедур (стирка, бритье), одевание, свободная ходьба, легкая работа по дому (уборка, глажка и т. Д.), Некоторые развлекательные мероприятия (утренняя гимнастика, прогулки, свободные танцы, боулинг, игра на музыкальных инструментах). ) игра с детьми, вождение автомобиля. СРЕДНЯЯ ТЯЖЕЛАЯ 100-125 5,0-7,5 ходьба-ходьба (4 км / ч), шоппинг, некоторые развлекательные мероприятия (танцы, развлекательные виды спорта средней интенсивности, например, волейбол), верховая езда велосипед (10 км / ч) HARD 125-150 7.5-10 спортивные и развлекательные мероприятия (свободный бег, командные спортивные игры, например, баскетбол, футбол), тренировки средней интенсивности ОЧЕНЬ ЖЕСТКО 150-175 10-12,5 интенсивные физические упражнения (бег łajowy), тренировки с высокой интенсивностью. ЧРЕЗВЫЧАЙНО ТЯЖЕЛЫЕ. Выше 175 Более 12,5 спринтерских курсов, плавание (50 м / мин), катание на велосипеде (30 км / ч), катание на лыжах (12 км / ч), боксерские бои с тенью

Сравнительный анализ методов измерения энергозатрат

Стоит отметить, что не существует идеального инструмента для оценки физической активности человека. Выбирая метод определения потребности в энергии (общий метаболизм, ежедневные затраты энергии) или затраты энергии для отдельных видов усилий (видов деятельности), стоит обратить внимание на преимущества и недостатки описанных выше методов расхода энергии и адаптировать выбор метода к индивидуальным потребностям субъекта. Конечно, эти методы, за исключением метода анкетирования, должны быть включены в объективные методы. Методы оценки энергозатрат, обсуждаемые в статье, являются незаменимым исследовательским инструментом для уравновешивания энергетических потребностей людей с высокой физической активностью.

Таблица 6. Сравнение методов измерения энергозатрат Метод измерения энергозатрат Недостатки Преимущества Прямая калориметрия Дорого
Сложно технически
Искусственная измерительная среда Точная и точная
она
Прямое измерение энергии. Косвенная калориметрия. Требуются лучшие доступные измерительные приборы - дорого
Необходимость выполнять действия в маске
Довольно сложный в техническом отношении Точный и точный (в небольшой степени он уступает точности метода прямой калориметрии)
она
Очень широко распространен
Позволяет проводить измерения в естественных условиях, например, во время тренировки
Измеряя отношение O2 к CO2, можно определить тип энергетических субстратов (углеводов, белков, жиров), из которых получается энергия воды с двойной меткой (DLW). Высокий уровень технической сложности, требующий специального обслуживания аппарата
Очень высокая стоимость испытаний (высокая стоимость изотопов и оборудования для их анализа (масс-спектрометр)
Трудоемкий анализ
Низкая доступность и очень ограниченное распространение
Отсутствие данных о расходах энергии, связанных с различными видами деятельности
Нет возможности использовать краткосрочные единицы физической активности для изучения и изучения больших групп населения. Возможность проведения измерений без изменения образа жизни обследуемого лица.
Неинвазивный и неудобный
Очень точный (разница 3-5% по сравнению с прямой калориметрией)
Репрезентативность измерений расхода энергии в течение более длительного периода времени (например, нескольких дней)
Может быть использован для детских экзаменов
Это ориентир для калибровки других методов, так называемых Стандарт. Мониторинг работы сердца. Необходимость индивидуальной оценки отношения HR / VO2 для каждого субъекта и знание частоты сердечных сокращений в покое.
Относительно низкая точность (с точностью до 239 ккал (1 МДж) в сутки)
Не рекомендуется для усилий низкой интенсивности
Он может не отражать изменения потребления кислорода в экстремальных условиях, например, при высокой температуре, влажности воздуха и т. Д. Способность проводить измерения без изменения образа жизни при обычной активности испытуемого.
Небольшое неудобство измерения - можно использовать в естественных условиях
Может быть использован для детских экзаменов
Возможность измерения одной операции и измерения в течение более длительного периода времени. На основе датчиков движения. Относительно низкая точность. Простота использования.
График доступности (вопросник) Фактические затраты энергии не измерены
Ошибки в расчетах, связанные с недооценкой, чрезмерной интерпретацией, забывчивостью, субъективной оценкой обследуемого лица. Простота использования
доступность

Ссылки:

Селейова И.: Теория и практика спортивного питания. Издание AWF в Гданьске, Гданьск 1983: 24-27. Jeszka J .: Энергия. В: Gawęcki J. (ред.): Питание. Основы науки о питании. Издание Naukowe PWN, Варшава 2010: 133-146.
Климек А.: Физиологические основы физических усилий в выносливых дисциплинах с особым акцентом на лыжных гонках. В кн .: Красицкий С. (ред.): Беговые лыжи. Исследования и монографии. Издание AWF в Кракове, Краков 2010; 63: 33-61.
Липерт А., Джегьер А.: Методы измерения двигательной активности человека. Med. Спорт. 2009; 3: 155-168. Чжан К., Вернер П., Сун М., Пи-Суньер С., Бузер С.: Измерение суточной физической активности человека. Obes. Местожительство 2003; 11: 33-40.
Желудь Дж .: Физическая эффективность человека. В кн .: Гурски Я. (ред.): Физиологические основы физического усилия. PZWL, Варшава 2001: стр.

Похожие

Комментарии