Измерване на мазнини с метър срещу лабораторни тестове: Колко са точни?

Архитектурата на многокомпонентния референтен модел

Количественото определяне на телесния състав на човека в лабораторни условия разчита на референтни модели, които разделят тялото на отделни химични или анатомични фракции [16]. Въпреки че двукомпонентните (2C) модели разделят масата просто на мастна маса (FM) и безмастна маса (FFM), те разчитат на фиксирани допускания относно плътността и хидратацията на FFM, които често въвеждат грешки в измерването при разнородни атлетични и клинични популации [7, 16].

Четирикомпонентният (4C) модел представлява златният стандарт за in vivo анализ на телесния състав чрез независимо измерване на общата телесна маса, телесния обем (BV), общата телесна вода (TBW) и костно-минералното съдържание (BMC или костна пепел) [5, 7, 16]. Класическа математическа конфигурация на 4C модела се изразява като:

$$\text{Fat (kg)}=2.747\text{BV}-0.710\text{TBW}+1.460\text{A}-2.050\text{Weight}$$

където BV се извлича от плетизмография с изместване на въздух (ADP) или хидростатично претегляне, TBW чрез разреждане с деутериев оксид (${\text{D}}_2\text{O}$) или ${}^{18}\text{O}$, костната минерална пепел ($A$) от костното минерално съдържание (BMC), измерено с двойноенергийна рентгенова абсорбциометрия (DXA) и умножено по 1.0436, а Weight е общата телесна маса [7, 16]. Анализът на разпространението на грешката показва, че правилно изпълненият 4C модел постига прецизност на измерването за мастна маса от приблизително 0.25 kg, като същевременно установява среден биологичен фактор на хидратация на FFM от $0.74\pm 0.02$ [7].

Плетизмографията с изместване на въздух (като системата BOD POD) прилага закона на Поасон в двойни осцилиращи камери за определяне на телесния обем, изисквайки двуточкова обемна калибрация (празна камера и 50 L цилиндър), плътно прилепнало облекло за избягване на изотермични артефакти от повърхностната площ и корекции за торакалния газов обем (TGV) [9]. Апаратурата BOD POD дава вътрешен коефициент на вариация от 2.3% и общ диапазон на грешка в обема от $\pm 1.0\%$ до $2.7\%$ [7, 9]. Когато се оценяват полеви или алтернативни образни методи, референтните 4C модели (или 3C DXA структури) служат като бенчмарк, спрямо който се определя количествено грешката в прогнозирането [1, 5, 10, 18].

Механика на стандартните антропометрични формули

Полевите оценки на телесния състав често използват телесни обиколки, измерени с шивашки метър, поради ниската цена и високата достъпност. Най-известният протокол е методът с обиколки на Министерството на отбраната на САЩ (DoD), първоначално формулиран от Джеймс Ходждън в Изследователския център за здраве на ВМС, използвайки референтни данни от подводно претегляне и впоследствие кръстосано валидиран върху персонал от Проучването на телесния състав на армията от 1984 г. [10, 14]. Математическите формули (използващи измервания в инчове) са структурирани по следния начин [12]:

• Мъже: $$\%\text{BF}=86.010\times {log}_{10}(\text{корем}-\text{врат})-70.041\times {log}_{10}(\text{ръст})+36.76$$
• Жени: $$\%\text{BF}=163.205\times {log}_{10}(\text{талия}+\text{ханш}-\text{врат})-97.684\times {log}_{10}(\text{ръст})-78.387$$

Други антропометрични индекси се опитват да заобиколят измерването на множество обиколки, като изолират специфични анатомични съотношения. Индексът на телесна мастна тъкан (BAI), въведен от Bergman et al., изчислява мастната тъкан от обиколката на ханша и ръста: $\text{BAI}=[\text{обиколка на ханша (cm)}/(\text{ръст (m)}{)}^{1.5}]-18$ [21]. По подобен начин индексът за относителна мастна маса (RFM) и съотношението талия към ръст (WHtR) използват геометрията на талията спрямо ръста за оценка на централното затлъстяване и праговете на висцерална мастна тъкан (VAT) в различни демографски групи [3, 23].

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                   ЙЕРАРХИЯ НА МОДЕЛИТЕ ЗА ТЕЛЕСЕН СЪСТАВ                   |
|                                                                             |
|  [4-компонентен референтен модел]                                          |
|   ├── Обща телесна маса (Калибрирана везна)                                 |
|   ├── Телесен обем (ADP / BOD POD чрез Закона на Поасон) [9]                |
|   ├── Обща телесна вода (D2O / 18O изотопно разреждане) [7]                |
|   └── Костна минерална маса / пепел (DXA BMC x 1.0436) [7]                  |
|        │                                                                    |
|        ▼ Прецизност: ±0.25 kg FM [7]                                        |
|                                                                             |
|  [Алтернативни лабораторни модели]                                          |
|   ├── Двойноенергийна рентгенова абсорбциометрия (DXA 3C) [5, 10]           |
|   └── 4C вариации с DXA-извлечен обем (4C-DXA1 / 4C-DXA2) [1, 3]           |
|                                                                             |
|  [Полеви антропометрични модели]                                            |
|   ├── DoD уравнения с обиколки (Корем, Врат, Талия, Ханш) [4, 10, 12]       |
|   ├── Индекс на телесна мастна тъкан (BAI: Ханш и Ръст) [21]                |
|   └── Относителни съотношения (WHtR, RFM, BMI) [3, 15, 23]                  |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Напречна точност и системни отклонения

Валидиращи проучвания, сравняващи уравненията за обиколки директно с лабораторни образни изследвания и многокомпонентни референтни стандарти, демонстрират отчетливи системни отклонения, свързани с нивото на изчистеност от мазнини, пола и разпределението на мазнините при участниците [10].

В проучване на 609 военнослужещи от Морската пехота на САЩ (430 мъже, 179 жени; на възраст 18–57 години), оценени спрямо трикомпонентен DXA, уравненията за коремна обиколка на DoD показват забележимо насочено отклонение [10]:

• При мъжете уравнението за обиколки системно подценява процента телесни мазнини със средно отклонение от $-2.6\pm 3.7\%$ (възраст $\le 30$) и $-2.5\pm 3.7\%$ (възраст $>30$) [10].
• При жените уравнението системно надценява процента телесни мазнини с $+2.3\pm 4.3\%$ (възраст $\le 30$) и $+1.3\pm 4.8\%$ (възраст $>30$) [10].
• Индивидуалните регресионни анализи разкриват пропорционално отклонение: методът на обиколките системно надценява телесните мазнини при атлетични индивиди с нисък процент мазнини, като същевременно подценява телесните мазнини при лица с по-висока степен на затлъстяване [10].

За сравнение, биоелектрическият импедансен анализ (BIA чрез RJL Systems Quantum IV) в същата кохорта показва по-ниско средно отклонение спрямо DXA (мъже $\le 30$: $0.4\pm 3.2\%$, $>30$: $-0.5\pm 3.5\%$; жени $\le 30$: $1.4\pm 3.1\%$, $>30$: $0.0\pm 3.3\%$) [10].

Подобни насочени грешки се наблюдават и при индексите с единична обиколка. В кохорта от 95 жени, оценени чрез DXA, стандартният BMI превъзхожда BAI при прогнозирането на процента телесни мазнини (BMI: $r=0.823$, $r^2=0.678$, $\text{SEE}=3.89\%$; BAI: $r=0.702$, $\text{SEE}=4.88\%$) и подценява телесните мазнини средно с $8.7\%$ при по-високи нива на омазняване [21]. Въпреки това, в отделно проучване с 4C модел сред 188 млади възрастни, BAI ($r=0.668$) и обиколката на талията ($r=0.194$) корелират по-силно с процента мазнини, получен от 4C, в сравнение с BMI ($r=0.192$) [21]. На епидемиологично ниво систематичен преглед на 32 проучвания за диагностична точност показва, че обиколката на талията има обобщена чувствителност от $62.4\%$ при мъжете и $57.0\%$ при жените за идентифициране на затлъстяване спрямо образните стандарти, със специфичност, достигаща съответно $88.1\%$ и $94.8\%$ [15].

Надлъжно проследяване и чувствителност към промените в телесния състав

Въпреки че напречните корелации между антропометрията и многокомпонентните критерии могат да изглеждат умерено високи, уравненията с обиколки показват изразени ограничения при надлъжното проследяване на промените в телесния състав [4, 14].

В 9-месечно надлъжно проучване на 21 мъже – кадети от Army ROTC, при които е отчетено средно увеличение на телесната маса от $+1.8\text{ kg}$, анализите на Bland-Altman и регресионните анализи показват, че уравнението за обиколки на DoD не успява да улови промените в състава [4, 14]. Изчисленията на база обиколки значително подценяват промените в процента телесни мазнини и мастната маса в сравнение с референтните измервания чрез плетизмография с изместване на въздух [4, 14]. Тъй като мускулната хипертрофия променя размерите на врата и корема нелинейно спрямо натрупването на мастна тъкан, уравненията, базирани на обиколки, интерпретират неправилно морфологичните промени в тъканите при тренировъчни условия [4, 10].

Ограничения в проследяването съществуват и при алтернативните лабораторни методи. В проучване, включващо 27 елитни джудисти от мъжки пол, наблюдавани спрямо 4C референтен модел (ADP, DXA BMC и разреждане с ${\text{D}}_2\text{O}$), индивидуалните $95\%$ граници на съгласуваност (LOA) на DXA варират от $-3.7\%$ до $+5.3\%$ за относителната мастна маса и от $-2.6\text{ kg}$ до $+3.7\text{ kg}$ за абсолютната мастна маса [5]. От съществено значение е, че DXA обяснява само $29\%$ от вариацията в промяната на относителната мастна маса ($\mathrm{\Delta }\%\text{FM}$), $36\%$ от промяната в абсолютната мастна маса ($\mathrm{\Delta }\text{FM}$) и $38\%$ от промяната в безмастната маса ($\mathrm{\Delta }\text{FFM}$), наблюдавани чрез 4C модела [5].

РЕФЕРЕНТЕН СТАНДАРТ (4C модел) СРЕЩУ НАДЛЪЖНА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ НА АЛТЕРНАТИВНИТЕ МЕТОДИ

Обяснена дисперсия при надлъжни промени (Елитни атлети, DXA срещу 4C критерий [5]):
Промяна в относителната мастна маса (%FM): [████████░░░░░░░░░░░░] 29%
Промяна в абсолютната мастна маса (FM):    [██████████░░░░░░░░░░] 36%
Промяна в безмастната маса (FFM):          [███████████░░░░░░░░░] 38%

Уравнения с обиколки спрямо референтен ADP (Кадети от ROTC за 9 месеца [4, 14]):
- Подценяване на Δ%BF след увеличение на масата с +1.8 kg
- Неспособност за проследяване на индивидуалните промени в разпределението на мастната спрямо чистата маса

Валидност на хибридните и алтернативните многокомпонентни модели

За да се преодолее разликата между полевите методи и комплексното 4C тестване, изследователите изучават хибридни уравнения, които заместват изведените от DXA оценки на телесния обем в математическите рамки на 4C [1, 3].

McLester et al. оценяват две уравнения за телесен обем, изведени от DXA (4C-DXA1 и 4C-DXA2), спрямо референтен 4C-ADP модел в различни категории според индекса на телесна маса и обиколката на талията [1]:

• Възрастни с нормално тегло (BMI $<25.0{\text{ kg/m}}^2$, $n=40$): 4C-DXA1 значително подценява процента телесни мазнини с константна грешка (CE) от $-3.0\%$ ($p<0.001$, $\text{SEE}=2.59\%$, $95\%\text{ LOA}=\pm 5.0\%$), докато 4C-DXA2 значително надценява процента мазнини ($\text{CE}=+4.8\%$, $p<0.001$, $\text{SEE}=1.24\%$) [1].
• Възрастни с наднормено тегло без рискова обиколка на талията (BMI $\ge 25.0{\text{ kg/m}}^2$, $n=40$): Процентът мазнини при 4C-DXA1 не се различава по отношение на средната константна грешка ($\text{CE}=-0.5\%$, $p=0.112$, $\text{SEE}=1.92\%$), но показва значимо пропорционално отклонение ($p=0.007$) [1].
• Възрастни с наднормено тегло и рискова обиколка на талията (BMI $\ge 25.0{\text{ kg/m}}^2$, $\text{WC}\ge 88\text{ cm}$ за жени, $\ge 102\text{ cm}$ за мъже, $n=35$): И двете уравнения дават малки средни надценявания ($\text{CE}=+2.2\%$ и $+2.3\%$, $p<0.001$), но 4C-DXA1 не показва пропорционално отклонение ($p=0.183$, $\text{SEE}=1.84\%$, $95\%\text{ LOA}=\pm 3.8\%$), което го прави единственият алтернативен модел, счетен за валиден за тази специфична кохорта [1].

Последващи демографски адаптации, като уравнението 4C-DXANickerson, потвърждават, че специализираните преобразувания на обем чрез DXA могат да осигурят валидни оценки на 4C телесния обем в специфични групи, включително пълнолетни от латиноамерикански произход [3]. По подобен начин, калибрираните прогнозни уравнения за многочестотен биоелектрически импеданс (mBCA) при подрастващи (на възраст 10–17 години), разработени спрямо 4C критерии (включващи ADP, ${\text{D}}_2\text{O}$ и DXA BMC), показват отлично съответствие за FFM ($R^2=0.96$, $\text{SRMSE}=2.18\text{ kg}$) без значимо средно отклонение ($38.4\pm 11.4\text{ kg}$ срещу $38.9\pm 12.0\text{ kg}$) [6].

Практическо обобщение

Стандартните антропометрични уравнения с обиколки предоставят достъпни и лесни за прилагане оценки на процента телесни мазнини при големи популации, но зависимостта им от твърди геометрични допускания въвежда системни грешки [10, 14]. При съпоставяне с 4-компонентни референтни модели и 3-компонентни DXA сканирания, уравненията с обиколки системно надценяват процента мазнини при слаби индивиди, подценяват процента мазнини при индивиди с по-висока степен на омазняване и не успяват да проследят надлъжните промени в тъканите по време на тренировки или промяна в теглото [4, 10, 14]. За целите на прецизното спортно проследяване, където разграничаването между хипертрофия на скелетната мускулатура, промени във водния баланс и промени в мастната тъкан е от съществено значение, полевите уравнения с обиколки не могат да заменят многокомпонентните лабораторни модели [4, 5, 7].