Ķermeņa tauku mērīšana ar mērlenti vai laboratorijā: cik tā ir precīza?

Daudzkomponentu kritēriju modeļu arhitektūra

Cilvēka ķermeņa sastāva kvantitatīva noteikšana laboratorijas apstākļos balstās uz atsauces modeļiem, kas sadala ķermeni atsevišķās ķīmiskās vai anatomiskās frakcijās [16]. Lai gan divu komponentu (2C) modeļi masu vienkārši sadala tauku masā (FM) un beztauku masā (FFM), tie balstās uz fiksētiem pieņēmumiem par FFM blīvumu un hidratāciju, kas dažādās sportistu un klīniskajās populācijās bieži rada mērījumu kļūdas [7, 16].

Četru komponentu (4C) modelis ir zelta standarta kritērijs in vivo ķermeņa sastāva analīzē, neatkarīgi mērot kopējo ķermeņa masu, ķermeņa tilpumu (BV), kopējo ķermeņa ūdens daudzumu (TBW) un kaulu minerālvielu saturu (BMC jeb kaulu pelnus) [5, 7, 16]. Klasiska 4C modeļa matemātiskā konfigurācija tiek izteikta šādi:

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

kur BV tiek iegūts ar gaisa izspiešanas pletizmogrāfiju (ADP) vai hidrostatisko svēršanu, TBW ar deitērija oksīda (${\text{D}}_2\text{O}$) vai ${}^{18}\text{O}$ atšķaidīšanas metodi, kaulu minerālvielu pelni ($A$) no divu enerģiju rentgena absorbciometrijas (DXA) BMC, kas reizināts ar 1,0436, un Weight ir kopējā ķermeņa masa [7, 16]. Kļūdu izplatīšanās analīze liecina, ka pareizi izpildīts 4C modelis sasniedz tauku masas mērījuma precizitāti aptuveni 0,25 kg robežās, vienlaikus nosakot vidējo bioloģisko FFM hidratācijas koeficientu $0,74\pm 0,02$ [7].

Gaisa izspiešanas pletizmogrāfija (piemēram, BOD POD sistēma) izmanto Puasona likumu divās oscilējošās kamerās, lai noteiktu ķermeņa tilpumu, un tai nepieciešama divu punktu tilpuma kalibrēšana (tukša kamera un 50 L cilindrs), piegulošs apģērbs, lai izvairītos no izotermiskā virsmas laukuma artefaktiem, un torakālā gāzes tilpuma (TGV) korekcijas [9]. BOD POD instrumentārijs uzrāda iekšējo variācijas koeficientu 2,3% un vispārējo tilpuma kļūdas diapazonu no $\pm 1,0\%$ līdz $2,7\%$ [7, 9]. Novērtējot lauka apstākļu vai alternatīvās attēldiagnostikas metodes, kritērija 4C modeļi (vai 3C DXA struktūras) kalpo par etalonu, pret kuru tiek kvantificēta prognožu kļūda [1, 5, 10, 18].

Standarta antropometrisko formulu mehānika

Ķermeņa sastāva novērtēšanā lauka apstākļos bieži izmanto ar mērlenti mērītus apkārtmērus to zemo izmaksu un augstās pieejamības dēļ. Ievērojamākais protokols ir ASV Aizsardzības departamenta (DoD) apkārtmēru metode, ko sākotnēji izstrādāja Džeimss Hodgdons (James Hodgdon) Jūras spēku veselības pētījumu centrā, izmantojot zemūdens svēršanas kritērija datus, un vēlāk savstarpēji validēja ar 1984. gada Armijas ķermeņa sastāva pētījuma personālu [10, 14]. Matemātiskās formulas (izmantojot mērījumus collās) ir strukturētas šādi [12]:

• Vīriešiem: $$\%\text{BF}=86.010\times {log}_{10}(\text{abdomen}-\text{neck})-70.041\times {log}_{10}(\text{height})+36.76$$
• Sievietēm: $$\%\text{BF}=163.205\times {log}_{10}(\text{waist}+\text{hip}-\text{neck})-97.684\times {log}_{10}(\text{height})-78.387$$

Citi antropometriskie indeksi cenšas apiet vairāku vietu apkārtmēru mērīšanu, izolējot konkrētas anatomiskās attiecības. Ķermeņa tauku indekss (BAI), ko ieviesa Bergmans (Bergman) ar kolēģiem, novērtē tauku saturu pēc gurnu apkārtmēra un auguma garuma: $\text{BAI}=[\text{gurnu apkārtmērs (cm)}/(\text{auguma garums (m)}{)}^{1.5}]-18$ [21]. Līdzīgi relatīvās tauku masas (RFM) indekss un vidukļa un auguma garuma attiecība (WHtR) izmanto vidukļa un auguma ģeometriju, lai novērtētu centrālo aptaukošanos un viscerālo taukaudu (VAT) sliekšņus dažādās demogrāfiskajās grupās [3, 23].

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                     ĶERMEŅA SASTĀVA MODEĻU HIERARHIJA                       |
|                                                                             |
|  [4-komponentu kritērijs]                                                   |
|   ├── Kopējā ķermeņa masa (kalibrēti svari)                                 |
|   ├── Ķermeņa tilpums (ADP / BOD POD, izmantojot Puasona likumu) [9]        |
|   ├── Kopējais ķermeņa ūdens (D2O / 18O izotopu atšķaidīšana) [7]           |
|   └── Kaulu minerālu masa / pelni (DXA BMC x 1,0436) [7]                    |
|        │                                                                    |
|        ▼ Precizitāte: ±0,25 kg FM [7]                                       |
|                                                                             |
|  [Laboratorijas aizstājējmodeļi]                                            |
|   ├── Divu enerģiju rentgena absorbciometrija (DXA 3C) [5, 10]               |
|   └── No DXA atvasinātā tilpuma 4C variācijas (4C-DXA1 / 4C-DXA2) [1, 3]    |
|                                                                             |
|  [Lauka antropometriskie modeļi]                                            |
|   ├── DoD apkārtmēru vienādojumi (vēders, kakls, viduklis, gurni) [4, 10, 12]|
|   ├── Ķermeņa tauku indekss (BAI: gurni un auguma garums) [21]             |
|   └── Relatīvās attiecības (WHtR, RFM, BMI) [3, 15, 23]                     |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Šķērsgriezuma precizitāte un sistemātiskās kļūdas

Validācijas pētījumi, kuros apkārtmēru vienādojumi tieši salīdzināti ar laboratorijas attēldiagnostiku un daudzkomponentu kritērijiem, uzrāda izteiktas sistemātiskas novirzes, kas saistītas ar dalībnieku slaidumu, dzimumu un tauku sadalījumu [10].

Pētījumā, kurā piedalījās 609 aktīvā dienesta ASV jūras kājnieki (430 vīrieši, 179 sievietes; vecumā no 18 līdz 57 gadiem) un kuri tika novērtēti, salīdzinot ar trīskomponentu DXA, DoD vēdera apkārtmēra vienādojumi uzrādīja ievērojamu virziena novirzi [10]:

• Vīriešiem apkārtmēru vienādojums sistemātiski novērtēja ķermeņa tauku procentuālo daudzumu par zemu ar vidējo novirzi $-2,6\pm 3,7\%$ (vecumā $\le 30$) un $-2,5\pm 3,7\%$ (vecumā $>30$) [10].
• Sievietēm vienādojums sistemātiski pārvērtēja ķermeņa tauku procentuālo daudzumu par $+2,3\pm 4,3\%$ (vecumā $\le 30$) un $+1,3\pm 4,8\%$ (vecumā $>30$) [10].
• Individuālās regresijas analīzes atklāja proporcionālu novirzi: apkārtmēru metode sistemātiski pārvērtēja ķermeņa tauku daudzumu slaidiem darbiniekiem, vienlaikus novērtējot par zemu ķermeņa taukus personām ar augstāku tauku daudzumu [10].

Salīdzinājumam, bioelektriskās pretestības analīze (BIA ar RJL Systems Quantum IV) tajā pašā kohortā uzrādīja mazāku vidējo novirzi pret DXA (vīriešiem $\le 30$: $0,4\pm 3,2\%$, $>30$: $-0,5\pm 3,5\%$; sievietēm $\le 30$: $1,4\pm 3,1\%$, $>30$: $0,0\pm 3,3\%$) [10].

Līdzīgas virziena kļūdas parādās arī viena apkārtmēra indeksos. Kohortā, kurā piedalījās 95 sievietes un kas tika novērtēta ar DXA, standarta BMI pārspēja BAI ķermeņa tauku procentuālās daļas prognozēšanā (BMI: $r=0,823$, $r^2=0,678$, $\text{SEE}=3,89\%$; BAI: $r=0,702$, $\text{SEE}=4,88\%$) un novērtēja ķermeņa taukus par zemu vidēji par $8,7\%$ augstāka tauku satura diapazonos [21]. Tomēr atsevišķā 4C modeļa pētījumā ar 188 jauniem pieaugušajiem BAI ($r=0,668$) un vidukļa apkārtmērs ($r=0,194$) uzrādīja spēcīgāku korelāciju ar 4C iegūto tauku procentuālo daudzumu nekā BMI ($r=0,192$) [21]. Epidemioloģiskā līmenī 32 diagnostiskās precizitātes pētījumu sistemātiskais pārskats parādīja, ka vidukļa apkārtmēram ir apkopotā jutība $62,4\%$ vīriešiem un $57,0\%$ sievietēm aptaukošanās identificēšanai attiecībā pret attēldiagnostikas standartiem, un specifiskums sasniedz attiecīgi $88,1\%$ un $94,8\%$ [15].

Garenvirziena izsekošana un jutība pret ķermeņa sastāva izmaiņām

Lai gan šķērsgriezuma korelācijas starp antropometriju un daudzkomponentu kritērijiem var šķist mēreni augstas, apkārtmēru vienādojumi uzrāda izteiktus ierobežojumus, fiksējot ķermeņa sastāva dinamiskās izmaiņas laikā [4, 14].

9 mēnešu ilgā garenvirziena pētījumā ar 21 vīriešu dzimuma armijas ROTC kadetu, kuriem vidējais ķermeņa masas pieaugums bija $+1,8\text{ kg}$, Blanda-Altmana un regresijas analīzes parādīja, ka DoD apkārtmēru vienādojums nespēja fiksēt sastāva izmaiņas [4, 14]. Apkārtmēru aprēķini ievērojami par zemu novērtēja ķermeņa tauku procentuālā daudzuma un tauku masas izmaiņas, salīdzinot ar gaisa izspiešanas pletizmogrāfijas kritērija mērījumiem [4, 14]. Tā kā muskuļu hipertrofija maina kakla un vēdera izmērus nelineāri attiecībā pret tauku nogulsnēšanos, uz apkārtmēriem balstītie vienādojumi treniņu apstākļos kļūdaini interpretē audu morfoloģijas izmaiņas [4, 10].

Izsekošanas ierobežojumi pastāv arī starp aizstājējām laboratorijas metodēm. Pētījumā, kurā piedalījās 27 elites vīriešu džudo sportisti, kas tika uzraudzīti, izmantojot 4C kritērija modeli (ADP, DXA BMC un ${\text{D}}_2\text{O}$ atšķaidīšana), DXA individuālās $95\%$ ticamības robežas (LOA) svārstījās no $-3,7\%$ līdz $+5,3\%$ relatīvajai tauku masai un no $-2,6\text{ kg}$ līdz $+3,7\text{ kg}$ absolūtajai tauku masai [5]. Būtiski, ka DXA izskaidroja tikai $29\%$ no relatīvās tauku masas izmaiņu dispersijas ($\mathrm{\Delta }\%\text{FM}$), $36\%$ no absolūtās tauku masas izmaiņām ($\mathrm{\Delta }\text{FM}$) un $38\%$ no beztauku masas izmaiņām ($\mathrm{\Delta }\text{FFM}$), kas tika novērotas, izmantojot 4C modeli [5].

KRITĒRIJS (4C modelis) PRET AIZSTĀJĒJU GARENVIRZIENA JUTĪBU

Izskaidrotā dispersija garenvirziena izmaiņās (elites sportisti, DXA pret 4C kritēriju [5]):
Relatīvās tauku masas (%FM) izmaiņas:  [████████░░░░░░░░░░░░] 29%
Absolūtās tauku masas (FM) izmaiņas:   [██████████░░░░░░░░░░] 36%
Beztauku masas (FFM) izmaiņas:         [███████████░░░░░░░░░] 38%

Apkārtmēru vienādojumi pret kritērija ADP (ROTC kadeti 9 mēnešu laikā [4, 14]):
- Par zemu novērtēja Δ%BF pēc +1,8 kg masas pieauguma
- Nespēja fiksēt individuālās izmaiņas tauku pret beztauku masas sadalījumā

Hibrīdo un aizstājēju daudzkomponentu modeļu validitāte

Lai mazinātu plaisu starp lauka metodēm un sarežģīto 4C testēšanu, pētnieki ir pētījuši hibrīdos vienādojumus, kuros no DXA iegūtās ķermeņa tilpuma aplēses tiek ievietotas 4C matemātiskajās struktūrās [1, 3].

Maklesters (McLester) ar kolēģiem novērtēja divus no DXA atvasinātus ķermeņa tilpuma vienādojumus (4C-DXA1 un 4C-DXA2) pret kritērija 4C-ADP modeli dažādās ķermeņa masas indeksa un vidukļa apkārtmēra kategorijās [1]:

• Pieaugušie ar normālu svaru (BMI $<25,0{\text{ kg/m}}^2$, $n=40$): 4C-DXA1 ievērojami par zemu prognozēja ķermeņa tauku procentuālo daudzumu ar konstanto kļūdu (CE) $-3,0\%$ ($p<0,001$, $\text{SEE}=2,59\%$, $95\%\text{ LOA}=\pm 5,0\%$), turpretī 4C-DXA2 ievērojami pārvērtēja tauku procentuālo daudzumu ($\text{CE}=+4,8\%$, $p<0,001$, $\text{SEE}=1,24\%$) [1].
• Pieaugušie ar lieko svaru bez riska vidukļa apkārtmēra (BMI $\ge 25,0{\text{ kg/m}}^2$, $n=40$): 4C-DXA1 tauku procentuālais daudzums neatšķīrās vidējā konstantajā kļūdā ($\text{CE}=-0,5\%$, $p=0,112$, $\text{SEE}=1,92\%$), taču uzrādīja būtisku proporcionālu novirzi ($p=0,007$) [1].
• Pieaugušie ar lieko svaru un riska vidukļa apkārtmēru (BMI $\ge 25,0{\text{ kg/m}}^2$, $\text{WC}\ge 88\text{ cm}$ sievietēm, $\ge 102\text{ cm}$ vīriešiem, $n=35$): abi vienādojumi uzrādīja nelielu vidējo pārvērtējumu ($\text{CE}=+2,2\%$ un $+2,3\%$, $p<0,001$), taču 4C-DXA1 neuzrādīja proporcionālu novirzi ($p=0,183$, $\text{SEE}=1,84\%$, $95\%\text{ LOA}=\pm 3,8\%$), padarot to par vienīgo aizstājējmodeli, kas atzīts par derīgu šai konkrētajai kohortai [1].

Vēlākie demogrāfiskie pielāgojumi, piemēram, vienādojums 4C-DXANickerson, ir apstiprinājuši, ka specializētas DXA tilpuma konversijas var sniegt derīgas 4C ķermeņa tilpuma aplēses konkrētās grupās, tostarp spāņu izcelsmes pieaugušajiem [3]. Līdzīgi, kalibrēti daudzfrekvenču bioelektriskās pretestības (mBCA) prognozēšanas vienādojumi jauniešiem (vecumā no 10 līdz 17 gadiem), kas izstrādāti pret 4C kritērijiem (ietverot ADP, ${\text{D}}_2\text{O}$ un DXA BMC), uzrāda augstu atbilstību FFM ($R^2=0,96$, $\text{SRMSE}=2,18\text{ kg}$) bez būtiskas vidējās novirzes ($38,4\pm 11,4\text{ kg}$ pret $38,9\pm 12,0\text{ kg}$) [6].

Praktisks kopsavilkums

Standarta antropometrisko apkārtmēru vienādojumi nodrošina pieejamas, zema sloga ķermeņa tauku procentuālā daudzuma aplēses lielās populācijās, taču to paļaušanās uz stingriem ģeometriskiem pieņēmumiem rada sistemātisku kļūdu [10, 14]. Salīdzinot ar 4-komponentu kritērija modeļiem un 3-komponentu DXA skenējumiem, apkārtmēru vienādojumi sistemātiski pārvērtē tauku procentuālo daudzumu slaidiem indivīdiem, novērtē par zemu tauku procentuālo daudzumu personām ar augstāku adipozitāti un nespēj fiksēt audu izmaiņas dinamikā treniņu vai svara izmaiņu periodos [4, 10, 14]. Nopietnai sportiskajai uzraudzībai, kur ir būtiski nošķirt skeleta muskuļu hipertrofiju, ūdens bilances izmaiņas un taukaudu svārstības, lauka apstākļu apkārtmēru vienādojumi nevar aizstāt laboratorijas daudzkomponentu modeļus [4, 5, 7].