Вимірювання жиру сантиметровою стрічкою проти лабораторних тестів: наскільки вони точні?

Архітектура критеріальних багатокомпонентних моделей

Кількісна оцінка складу тіла людини в лабораторних умовах спирається на еталонні моделі, які розділяють тіло на окремі хімічні або анатомічні фракції [16]. Хоча двокомпонентні (2C) моделі просто ділять масу на жирову масу (FM) і знежирену масу (FFM), вони базуються на фіксованих припущеннях щодо щільності та гідратації FFM, які часто спричиняють похибки вимірювань у різноманітних спортивних і клінічних популяціях [7, 16].

Чотирикомпонентна (4C) модель є золотим стандартом для аналізу складу тіла in vivo шляхом незалежного вимірювання загальної маси тіла, об'єму тіла (BV), загальної кількості води в організмі (TBW) та мінерального вмісту кісток (BMC або кісткової золи) [5, 7, 16]. Класична математична конфігурація моделі 4C виражається так:

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

де BV отримують за допомогою повітряної плетизмографії (ADP) або гідростатичного зважування, TBW — за допомогою розведення оксиду дейтерію (${\text{D}}_2\text{O}$) або ${}^{18}\text{O}$, кісткову мінеральну золу ($A$) — з показника BMC двоенергетичної рентгенівської абсорбціометрії (DXA), помноженого на 1.0436, а Weight — це загальна маса тіла [7, 16]. Аналіз поширення похибок показує, що правильно виконана модель 4C досягає точності вимірювання жирової маси приблизно 0,25 кг, встановлюючи середній біологічний коефіцієнт гідратації FFM на рівні $0.74\pm 0.02$ [7].

Повітряна плетизмографія (наприклад, система BOD POD) застосовує закон Пуассона у двох коливальних камерах для визначення об'єму тіла, вимагаючи двоточкового калібрування об'єму (порожня камера та 50-літровий циліндр), щільного одягу для уникнення артефактів ізотермічної площі поверхні та внесення поправок на торакальний об'єм газу (TGV) [9]. Апаратура BOD POD демонструє внутрішній коефіцієнт варіації 2,3% і загальний діапазон похибки об'єму від $\pm 1.0\%$ до $2.7\%$ [7, 9]. Коли оцінюються польові або сурогатні методи візуалізації, критеріальні моделі 4C (або 3C-структури DXA) слугують еталоном, за яким кількісно визначається похибка прогнозування [1, 5, 10, 18].

Механіка стандартних антропометричних формул

Польові методи оцінки складу тіла часто використовують вимірювання обхватів стрічкою через низьку вартість і високу доступність. Найвідомішим є протокол вимірювання обхватів Міністерства оборони США (DoD), спочатку розроблений Джеймсом Ходждоном у Дослідницькому центрі охорони здоров'я ВМС США з використанням критеріальних даних підводного зважування, а згодом крос-валідований на військовослужбовцях у дослідженні складу тіла армії США 1984 року [10, 14]. Математичні формули (з використанням вимірювань у дюймах) мають такий вигляд [12]:

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

Інші антропометричні індекси намагаються уникнути вимірювання багатьох обхватів, виділяючи специфічні анатомічні співвідношення. Індекс жирової маси тіла (BAI), запропонований Бергманом та ін., оцінює жирову масу на основі обхвату стегон і зросту: $\text{BAI}=[\text{обхват стегон (см)}/(\text{зріст (м)}{)}^{1.5}]-18$ [21]. Подібним чином індекс відносної жирової маси (RFM) і співвідношення талії до зросту (WHtR) використовують геометричне співвідношення талії та зросту для оцінки центрального ожиріння та порогів вісцеральної жирової тканини (VAT) у різних демографічних групах [3, 23].

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                     ІЄРАРХІЯ МОДЕЛЕЙ СКЛАДУ ТІЛА                            |
|                                                                             |
|  [Критеріальна 4-компонентна модель]                                        |
|   ├── Загальна маса тіла (Калібровані ваги)                                 |
|   ├── Об'єм тіла (ADP / BOD POD за законом Пуассона) [9]                    |
|   ├── Загальна вода організму (Ізотопне розведення D2O / 18O) [7]           |
|   └── Кісткова мінеральна маса / зола (DXA BMC x 1.0436) [7]                |
|        │                                                                    |
|        ▼ Точність: ±0.25 кг FM [7]                                          |
|                                                                             |
|  [Сурогатні лабораторні моделі]                                             |
|   ├── Двоенергетична рентгенівська абсорбціометрія (DXA 3C) [5, 10]          |
|   └── Варіанти 4C на основі об'єму з DXA (4C-DXA1 / 4C-DXA2) [1, 3]         |
|                                                                             |
|  [Польові антропометричні моделі]                                           |
|   ├── Рівняння обхватів DoD (Живіт, Шия, Талія, Стегна) [4, 10, 12]         |
|   ├── Індекс жирової маси тіла (BAI: Стегна та Зріст) [21]                  |
|   └── Відносні індекси (WHtR, RFM, BMI) [3, 15, 23]                         |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Одномоментна точність і систематичні похибки

Валідаційні дослідження, що порівнюють рівняння обхватів безпосередньо з лабораторною візуалізацією та багатокомпонентними критеріями, демонструють виразні систематичні зміщення, пов'язані з рівнем сухорлявості учасників, статтю та розподілом жиру [10].

У дослідженні 609 морських піхотинців США, які перебувають на дійсній службі (430 чоловіків, 179 жінок; віком 18–57 років), оцінених за допомогою трикомпонентної DXA, рівняння обхвату живота DoD продемонстрували помітне спрямоване зміщення [10]:

• У чоловіків рівняння обхвату систематично занижувало відсоток жиру в організмі із середнім зміщенням $-2.6\pm 3.7\%$ (вік $\le 30$) та $-2.5\pm 3.7\%$ (вік $>30$) [10].
• У жінок рівняння систематично завищувало відсоток жиру в організмі на $+2.3\pm 4.3\%$ (вік $\le 30$) та $+1.3\pm 4.8\%$ (вік $>30$) [10].
• Індивідуальні регресійні аналізи виявили пропорційне зміщення: метод обхватів систематично завищував жирову масу в сухорлявих військовослужбовців і водночас занижував жирову масу в осіб із вищим рівнем ожиріння [10].

Для порівняння, біоелектричний імпедансний аналіз (BIA за допомогою RJL Systems Quantum IV) у тій самій когорті продемонстрував менше середнє зміщення щодо DXA (чоловіки $\le 30$: $0.4\pm 3.2\%$, $>30$: $-0.5\pm 3.5\%$; жінки $\le 30$: $1.4\pm 3.1\%$, $>30$: $0.0\pm 3.3\%$) [10].

Подібні спрямовані похибки спостерігаються і для індексів на основі одного обхвату. У когорті з 95 жінок, обстежених за допомогою DXA, стандартний BMI перевершив BAI у прогнозуванні відсотка жиру в організмі (BMI: $r=0.823$, $r^2=0.678$, $\text{SEE}=3.89\%$; BAI: $r=0.702$, $\text{SEE}=4.88\%$) і занизив жирову масу в середньому на $8.7\%$ у діапазонах високого ожиріння [21]. Однак в окремому дослідженні за моделлю 4C серед 188 молодих дорослих BAI ($r=0.668$) та обхват талії ($r=0.194$) корелювали з отриманим за 4C відсотком жиру сильніше, ніж BMI ($r=0.192$) [21]. На епідеміологічному рівні систематичний огляд 32 досліджень діагностичної точності показав, що обхват талії має об'єднану чутливість $62.4\%$ у чоловіків і $57.0\%$ у жінок для виявлення ожиріння порівняно зі стандартами візуалізації, при цьому специфічність досягає $88.1\%$ і $94.8\%$ відповідно [15].

Поздовжнє відстеження та чутливість до змін складу тіла

Хоча одномоментні кореляції між антропометрією та багатокомпонентними критеріями можуть здаватися помірно високими, рівняння обхватів демонструють виражені обмеження під час відстеження поздовжніх змін складу тіла [4, 14].

У 9-місячному поздовжньому дослідженні 21 курсанта чоловічої статі армійського ROTC, у яких середнє збільшення маси тіла становило $+1.8\text{ кг}$, аналіз Бланда-Альтмана та регресійний аналіз показали, що рівняння обхвату DoD не змогло зафіксувати зрушення у складі тіла [4, 14]. Розрахунки за обхватами суттєво занижували зміни у відсотку жиру в організмі та жировій масі порівняно з критеріальними вимірюваннями за допомогою повітряної плетизмографії [4, 14]. Оскільки м'язова гіпертрофія змінює розміри шиї та живота нелінійно відносно відкладення жиру, рівняння на основі обхватів неправильно інтерпретують морфологічні зміни тканин в умовах тренувань [4, 10].

Обмеження щодо відстеження існують і серед сурогатних лабораторних методів. У дослідженні за участю 27 елітних дзюдоїстів-чоловіків, яких контролювали за критеріальною моделлю 4C (ADP, BMC за DXA та розведення ${\text{D}}_2\text{O}$), індивідуальні $95\%$-ві межі узгодженості DXA становили від $-3.7\%$ до $+5.3\%$ для відносної жирової маси та від $-2.6\text{ кг}$ до $+3.7\text{ кг}$ для абсолютної жирової маси [5]. Що критично важливо, DXA пояснювала лише $29\%$ варіації змін відносної жирової маси ($\mathrm{\Delta }\%\text{FM}$), $36\%$ змін абсолютної жирової маси ($\mathrm{\Delta }\text{FM}$) і $38\%$ змін знежиреної маси ($\mathrm{\Delta }\text{FFM}$), що спостерігалися за моделлю 4C [5].

КРИТЕРІЙ (Модель 4C) ПРОТИ СУРОГАТНОЇ ПОЗДОВЖНЬОЇ ЧУТЛИВОСТІ

Пояснена частка дисперсії поздовжніх змін (Елітні атлети, DXA проти критерію 4C [5]):
Зміна відносної жирової маси (%FM): [████████░░░░░░░░░░░░] 29%
Зміна абсолютної жирової маси (FM):  [██████████░░░░░░░░░░] 36%
Зміна знежиреної маси (FFM):        [███████████░░░░░░░░░] 38%

Рівняння обхватів проти критеріальної ADP (Курсанти ROTC за 9 місяців [4, 14]):
- Занижено Δ%BF після набору маси +1.8 кг
- Не вдалося відстежити індивідуальні зрушення в розподілі жирової та сухої маси

Валідність гібридних і сурогатних багатокомпонентних моделей

Щоб подолати розрив між польовими методами та складним тестуванням 4C, дослідники вивчили гібридні рівняння, які підставляють оцінки об'єму тіла, отримані з DXA, у математичні структури 4C [1, 3].

McLester et al. оцінили два рівняння об'єму тіла, отримані за допомогою DXA (4C-DXA1 та 4C-DXA2), порівняно з критеріальною моделлю 4C-ADP у різних категоріях індексу маси тіла та обхвату талії [1]:

• Дорослі з нормальною вагою (BMI $<25.0{\text{ кг/м}}^2$, $n=40$): 4C-DXA1 суттєво недооцінювала відсоток жиру в організмі з постійною похибкою (CE) $-3.0\%$ ($p<0.001$, $\text{SEE}=2.59\%$, $95\%\text{ LOA}=\pm 5.0\%$), тоді як 4C-DXA2 суттєво завищувала відсоток жиру ($\text{CE}=+4.8\%$, $p<0.001$, $\text{SEE}=1.24\%$) [1].
• Дорослі з надмірною вагою без загрозливого обхвату талії (BMI $\ge 25.0{\text{ кг/м}}^2$, $n=40$): відсоток жиру за 4C-DXA1 не відрізнявся за середньою постійною похибкою ($\text{CE}=-0.5\%$, $p=0.112$, $\text{SEE}=1.92\%$), але демонстрував значне пропорційне зміщення ($p=0.007$) [1].
• Дорослі з надмірною вагою та загрозливим обхватом талії (BMI $\ge 25.0{\text{ кг/м}}^2$, $\text{WC}\ge 88\text{ см}$ для жінок, $\ge 102\text{ см}$ для чоловіків, $n=35$): обидва рівняння давали невеликі середні завищення ($\text{CE}=+2.2\%$ і $+2.3\%$, $p<0.001$), але 4C-DXA1 не демонструвала пропорційного зміщення ($p=0.183$, $\text{SEE}=1.84\%$, $95\%\text{ LOA}=\pm 3.8\%$), що зробило її єдиною сурогатною моделлю, визнаною валідною для цієї конкретної когорти [1].

Подальші демографічні адаптації, такі як рівняння 4C-DXANickerson, підтвердили, що спеціалізовані перерахунки об'єму за DXA можуть забезпечити валідні оцінки об'єму тіла 4C у специфічних групах, зокрема в дорослих латиноамериканського походження [3]. Подібним чином калібровані прогнозні рівняння мультичастотного біоімпедансу (mBCA) для молоді (віком 10–17 років), розроблені на основі критеріїв 4C (що включають ADP, ${\text{D}}_2\text{O}$ та BMC за DXA), демонструють високу узгодженість для FFM ($R^2=0.96$, $\text{SRMSE}=2.18\text{ кг}$) без суттєвого середнього зміщення ($38.4\pm 11.4\text{ кг}$ проти $38.9\pm 12.0\text{ кг}$) [6].

Практичний підсумок

Стандартні антропометричні рівняння на основі обхватів пропонують доступну та просту оцінку відсотка жиру в організмі у великих популяціях, проте їхня залежність від жорстких геометричних припущень вносить систематичну похибку [10, 14]. Під час зіставлення з 4-компонентними критеріальними моделями та 3-компонентними скануваннями DXA рівняння обхватів систематично завищують відсоток жиру в сухорлявих осіб, занижують його в осіб із вищим рівнем жирової маси та не здатні відстежувати зміни тканин у динаміці під час тренувань або зміни маси тіла [4, 10, 14]. Для серйозного спортивного моніторингу, де вкрай важливо розрізняти гіпертрофію скелетних м'язів, зрушення водного балансу та зміни жирової тканини, польові рівняння обхватів не можуть замінити багатокомпонентні лабораторні моделі [4, 5, 7].