CC BY
341
НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ
© НИКОЛАЕВ В.Г., СИНДЕЕВА Л.В., НЕХАЕВА Т.И., ЮСУПОВ Р.Д.
УДК 611.9:616-073.3
СОСТАВ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА: ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В.Г. Николаев, Л.В. Синдеева, Т.И. Нехаева, Р.Д. Юсупов Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф.
Войно-Ясенецкого, ректор - д.м.н., проф. И.П. Артюхов; кафедра анатомии
человека, зав. - д.м.н., проф. В.Г. Николаев; Сибирский клинический центр Федерального медико-биологического агентства, генеральный директор -
Б.В. Баранкин.
Резюме. Учение о составе тела как новая область биологии и медицины выделилось в отдельное направление во второй половине XX века. В статье представлен ретроспективный обзор становления учения о составе тела и дана краткая характеристика современных методов определения количества жировой, мышечной и костной тканей в организме человека. Наиболее подробно освещен метод биоимпедансометрии, как наиболее перспективный на сегодняшний день.
Ключевые слова: состав тела, биоимпедансометрия, антропометрия.
Николаев Валериан Георгиевич - д.м.н., проф., зав. каф. анатомии человека КраГМУ; e-mail: [email protected].
Синдеева Людмила Викторовна - к.м.н., доц., докторант каф. анатомии человека КрасГМУ; e-mail: [email protected].
Нехаева Тамара Ивановна - заместитель гл. врача по учебной работе ФГУЗ «Сибирский клинический центр Федерального медико-биологического агентства» (филиал г. Зеленогорск); e-mail: [email protected].
Идея фракционирования массы тела человека на составляющие возникла сравнительно недавно. Первые попытки разработки методов оценки состава тела приходятся на конец XIX века и связаны с именами немецких анатомов Т. Л. Бишофа и Р. Фолькмана [3]. Это были так называемые «прямые методы оценки», основанные на анатомическом препарировании мертвого тела. Однако вплоть до 20-х годов прошлого столетия подобные проблемы практически не изучались.
В 1921 году в «Американском журнале физической антропологии» вышла публикация ректора Карлова университета Йиндржиха Матейки «Тесты физического развития» [34], в которой большое значение в определении индивидуальных различий телосложения придавалось количественной оценке массы жировой, мышечной и костной тканей доступными соматометрическими методами. По своей сути это была первая четырехкомпонентная модель состава тела, в которой общая масса представлена в виде суммы абсолютного количества подкожной жировой клетчатки, скелетных мышц, скелета и массы остатка, включающего вес внутренних органов [22]. Способ Матейки получил широкое распространение и в течение длительного времени был практически единственным методом установления содержания основных компонентов тела у живого человека. Позднее разными авторами были предложены альтернативные формулы, основанные на различных антропометрических признаках [25, 26, 27].
Развитие смежных наук и, прежде всего, физики раскрыло широкие возможности разработки способов фракционирования компонентов тела, основанных на физических свойствах тканей. Любую ткань, входящую в состав биологического объекта, можно охарактеризовать по таким параметрам как плотность, теплоемкость, тепло- и электропроводность, диэлектрическая
проницаемость, абсорбция и др. [15, 19]. Очевидно, что разные структуры организма будут существенно отличаться друг от друга по величине вышеупомянутых показателей. Например, удельное сопротивление мышечной ткани в 5 раз меньше, чем жировой, а костная ткань по величине данного параметра превосходит жировую в 10 раз. Другие биофизические свойства компонентов живого организма также разнятся [10, 29].
Первые физические методы диагностики состава тела были основаны на различиях плотности биологических объектов. В 50-60-е годы прошлого столетия наиболее активно использовался метод гидростатической денситометрии [6, 36]. Прообразом этих исследований являются опыты Архимеда, описанные им в трактате «О плавающих телах». Метод основан на различиях плотности жира и безжирового остатка. Если предположить, что указанные плотности известны, то состав тела можно определить, измеряя массу тела в воздухе и массу тела в воде. Принимая плотность жировой ткани
3 3
0,9 г/см , а безжирового остатка 1,1 г/см при известной плотности всего тела, можно вычислить вклад каждого компонента в общую величину [32].
Во время процедуры гидроденситометрии человек помещается с головой под воду, на максимальном выдохе. С точки зрения физических основ методика довольно проста, однако для антропологов подводное взвешивание - это весьма трудоемкий процесс, продолжительный по времени и требующий специального стационарного оборудования. По этой причине гидроденситометрия сегодня практически не применяется в популяционных исследованиях и редко используется в спортивной антропологии [18]. Однако учитывая очень высокую точность измерений, значимость метода до сих пор сохраняется в качестве эталона для проверки надежности вновь внедряемого оборудования. Гидроденситометрическая технология определения композиции тела сегодня все еще остается официальным «золотым стандартом» в США и ряде других стран [39, 43, 44].
Самой современной альтернативой гидростатической денситометрии является воздушно-вытесняющая плетизмография, определяющая те же
параметры, что и гидростатический метод, но без погружения в воду [7]. Измерения объема тела с последующим расчетом жировой и тощей масс проводят в жесткой герметичной кабине, заполненной обычным воздухом. Кабина является двухкамерной - в одном отсеке помещается человек, а второй служит эталоном и, таким образом, регистрируется разница воздушного давления. Это устройство (коммерческое название «BOD POD») было разработано американской компанией Life Measurement Instruments. Однако высокая стоимость устройства не позволяет повсеместно внедрить метод в практику. С середины 1990-х годов и до настоящего времени ведущими зарубежными университетами, спортивными командами и элитными центрами оптимизации веса эксплуатируется около 400 таких приборов [37, 42].
Для определения состава тела в середине XX века неоднократно предлагались рентгенологические методы, основанные на особом свойстве рентгеновских лучей проникать через плотные непрозрачные среды и поглощаться ими в неодинаковой степени в зависимости от химического состава и физических свойств объектов [16, 17]. Особенности взаимодействия рентгеновского излучения с костной, жировой и мышечной тканями послужили разработке способов количественной их оценки. Как метод определения относительных показателей развития основных соматических компонентов простая рентгенография оказалась вполне приемлема, но она не позволяет достоверно установить абсолютные количества жира, мышц или костной массы у данного индивида [14].
В последние годы использование рентгеновских лучей, с целью фракционирования массы тела, претерпело мощный скачок в использовании. В первую очередь это касается внедрения таких методик, как моноэнергетическая и двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия [33]. Физические основы вычисления соматических компонентов заключаются в раздельном измерении энергии рентгеновского излучения при прохождении его через тело пациента. Ослабление рентгеновского излучения частично связано с костной тканью, а частично - с мышечной и жировой [2].
Кроме рентгеновских лучей для определения состава тела используется радиоизотопное излучение, лежащее в основе простой фотонной и двухфотонной абсорбциометрии [38]. Суть фотонной абсорбциометрии заключается в регистрации прохождения потока фотонов определенной энергии через кость и мягкие ткани. При этом количество вещества на пути, поперечном потоку, градуируют, основываясь на различии интенсивности пучка до и после прохождения через исследуемую область. Указанные методы отличает высокая точность, но используются они преимущественно в клинической практике для мониторинга изменений состава тела при различных хронических заболеваниях, что, в первую очередь, касается состояний, характеризующихся снижением минеральной плотности скелета [5, 31]. В то же время самые современные программные модули, разработанные для рентгеновских денситометров, томографов и абсорбциометров, дают возможность расчета композиции тела в трех- или четырехкомпонентной модели. Однако наличие лучевой нагрузки, относительно низкая пропускная способность приборов и преимущественное использование в стационарных условиях лимитирует их применение в массовых обследованиях здорового населения или в спортивной морфологии [13].
Среди биофизических методов оценки состава тела также следует упомянуть метод разведения индикаторов [1, 21], нейтронный активационный анализ [28] и определение естественной радиоактивности тела, главным источником которой является изотоп калия 40К [23]. В связи с тем, что клетки организма
40ту
содержат постоянное количество К, а нейтральные жиры не связывают электролит, обезжиренная масса пропорциональна общему количеству калия в организме и имеет высокую корреляцию с уровнем основного обмена. Перечисленные методы применяются преимущественно в эндокринологической практике, а метод разведения изотопов еще и в качестве эталона при тестировании вновь разрабатываемого оборудования для оценки состава тела. Использование таких методов на здоровых людях имеет ряд
ограничений, прежде всего связанных с воздействием на организм умеренной дозы радиации.
С середины 80-х годов XX века и до настоящего времени в зарубежных исследованиях для определения состава тела применяется метод инфракрасного отражения [40], основанный на различиях спектральных характеристик поглощения электромагнитного излучения различными органическими веществами. Программное обеспечение инфракрасных анализаторов базируется на уравнениях множественной регрессии, описывающих зависимость оптической плотности объекта с процентным содержанием жира и безжировой массы. Также метод позволяет оценить относительное содержание воды в организме.
Несмотря на то, что на заре использования инфракрасного излучения для диагностики компонентов массы тела было проведено сравнение результатов с метрическим эталоном [24] и была показана высокая корреляция его с результатами метода растворения окиси дейтерия (коэффициент корреляции превысил значение 0,9), точность измерений и надежность инфракрасных приборов неоднократно подвергалась сомнениям. Так в работе C.L. Jennings с соавт. [30] установлено, что погрешность метода достаточно велика и в ряде случаев превышает 10%. При этом, чем выше масса тела, тем большую погрешность дает прибор. Также большая ошибка обнаруживается при использовании инфракрасного анализатора у женщин африканского происхождения. В связи с такими обстоятельствами ряд авторов призывают интерпретировать результаты, выдаваемые инфракрасными тестерами с предельной осторожностью, особенно в случаях использования их в клинической практике [20, 41].
В возражение противникам методики, N. Noori с соавт. [35] свидетельствуют о надежности применения инфракрасных лучей для расчета процентного содержания жира у больных с почечной недостаточностью в период проведения гемодиализа с целью оценки их нутритивного статуса, однако с указанием на необходимость коррекции встроенных в прибор формул. Такие
противоречивые данные диктуют необходимость дальнейших исследований применения инфракрасных анализаторов в различных условиях.
Одним из самых перспективных методов оценки состава тела является метод биоимпедансного анализа. Еще в 1880 году В. Томсон выявил, что существует не только общее сопротивление, присущее биологическому объекту в целом. Величина общего сопротивления складывается из значений сопротивления отдельных компонентов, входящих в состав организма. Электрическое сопротивление биологических тканей получило название биоэлектрического импеданса, показатели которого значительно варьируют [13].
Величина импеданса имеет две составляющие - это активное сопротивление (или собственное сопротивление ткани) и реактивное сопротивление, характеризующееся смещением фазы тока относительно напряжения за счет емкостных свойств клеточных мембран. По величине активного сопротивления рассчитывается общее содержание воды в организме, высокая удельная проводимость которой обусловлена наличием в ней электролитов. По величине реактивной составляющей импеданса рассчитываются величины основного обмена и активной клеточной массы - массы мышц и внутренних органов [11]. Что касается жировой ткани, то электрическое сопротивление ее примерно в 20 раз выше, чем основной массы тканей, составляющих безжировую массу тела. Так как гидратация безжировой массы составляет в норме около 73%, то безжировая масса может быть оценена по формуле как
БМТ = Содержание воды / 0,73, где БМТ - безжировая масса тела.
Оборудование, необходимое для биоимпедансных исследований, включает: биоимпедансный анализатор, подключенный к персональному компьютеру с установленным на нем специальным программным обеспечением; кушетку шириной не менее 85-90 см (для обеспечения возможности обследования тучных пациентов); ростомер; весы с диапазоном измерений до 150-180 кг и ценой деления 0,1 кг; мерную ленту для измерения обхватов талии и бедер. Оборудование для биоимпедансного анализа, которое мы используем в
научных целях, выпускается в России научно-техническим центром «Медасс». Прибор представляет собой одночастотный анализатор жира и водных секторов организма, с использованием тетраполярной методики, то есть наложения четырех электродов - по два на кисть и стопу. В биоимпедансном анализаторе используется зондирующий ток очень низкой, безопасной амплитуды, что обеспечивает возможность не ограничивать количество и длительность повторных измерений. Для проведения измерений кушетку устанавливают так, чтобы электродный кабель прибора без натяжения дотягивался до мест наложения электродов на голеностопе и запястье, а расстояние между боковой частью кушетки и окружающими предметами составляло не менее 10 см. Во время обследования температура в помещении должна быть 22-25оС.
Принято считать, что обследование выполнено корректно, если: временной интервал после последнего приема пищи составляет не менее 2,5-3 часов, а после употребления алкоголя - 36-48 часов; в холодное и жаркое время года пациент перед процедурой измерений пробыл в помещении для обследования время, достаточное для температурной адаптации; отсутствуют воспалительные заболевания, периоды менструаций; нежелательно проведение измерений у пациентов с имплантированными кардиостимуляторами. Продолжительность измерений занимает не более 3 минут. По окончании исследования автоматически формируется протокол результатов.
К середине 90-х годов 20 века методы и аппаратура биоимпедансного анализа состава тела по частоте применения в клинической практике превзошли все известные технологии оценки состава тела. Сформировалось и стало общепринятым суждение о составе тела не по антропометрическим индексам, а на основе аппаратных методов, использующих биофизические свойства различных тканей организма. Кроме того, методика биоимпедансного анализа активно внедряется во многие сферы медицины: трансплантологию, кардиологию и кардиохирургию, стоматологию, реаниматологию и многие другие [4, 8, 9, 12].
Таким образом, совершенствование аппаратурных и программных средств биоимпедансного анализа в последние годы существенно повысило его возможности и расширило перечень отраслей науки и практики для его применения. Важнейшей перспективой дальнейшего развития метода является его повсеместное внедрение в профилактическую медицину для решения вопросов сохранения и укрепления здоровья населения.
V.G. Nikolaev, L.V. Sindeeva, T.I. Nekhaeva, R.D. Yusupov
Литература
1. Баранов Ю.В. Изотопы: свойства, получение, применение. - М.: ООО Издательская фирма «Физико-математическая литература», 2005. -728 с.
2. Баранова О.В., Малевич Э.Е. Современные возможности лучевых методов диагностики остеопороза // Медицинские новости. - 2009. -№10. - С. 12.-17.
3. Башкиров П.Н. Учение о физическом развитии человека. - М.: Медгиз, 1962. - 276 с.
4. Бобохонова А.С., Хеймец Г.И., Атауллаханова Д.М. и др. Диагностика гипертрофии миокарда левого желудочка сердца с учетом данных биоимпедансометрии // Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы: тр. VIII науч.-практ. конф. - М.,
2006. - С. 156-161.
5. Думанская Ю.А., Щербавская Э.А. Минеральная плотность костной ткани при нарушении менструальной функции в пубертатном возрасте
// Репродуктивное здоровье детей и подростков. - 2009. - №2. - С. 65-70.
6. Жданова А.Г. Портативное устройство для гидростатического взвешивания при определении удельного веса тела человека // Вопр. антропологии. - 1962. - Вып. 10. - С. 85-87.
7. Кухар И.Д., Бобровская Е.А. Ревю основных технологий по определению состава тела и их значение для медицинской науки и практики
// Biomedical and Biosocial Anthropology. - 2008. - №10. - С. 160-165.
8. Лебедева И.А., Лапин В.В. Диагностика ранних расстройств
ортостатической регуляции методом биоимпедансометрии // Российский физиологический журн. им. И.М. Сеченова. - 2006. - Том. 92, №12. - С. 1474-1482.
9. Леонов С.Д., Федоров Г.Н. Биоимпедансометрия
аутотрансплантатов селезенки, пересаженных в большой сальник // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Медицина. Фармация. - 2008. - Т. 6, №5. - С. 17-19.
10. Маречек С.В., Поляков В.М. Возможности оценки
приповерхностной структуры биологической ткани по измерению коэффициента отражения на отдельных частотах СВЧ-диапазона // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2005. - №11-12. - С. 4-11.
11. Мартиросов, Э.Г., Николаев Д.В., Руднев С.Г. Технологии и методы определения состава тела человека. - М.: Наука, 2006. - 248 с.
12. Николаев Д.В., Пушкин С.В. Применение БИА для оценки
состояния органов при трансплантации. Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы: тр. VII науч.-практ. конф. - М., 2005. - С. 113-120.
13. Николаев Д.В., Смирнов А.В., Бобринская И.Г., Руднев С.Г.
Биоимпедансный анализ состава тела человека. - М.: Наука, 2009. - 392 с.
14. Оленева В.А., Тайц Н.С. Сопоставление измерений жирового слоя калипером и рентгенографическим методом у больных ожирением
// Вопр. антропологии. - 1965. - Вып. 21. - С. 139-142.
15. Рубин А.Б. Биофизика. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - Том 1. - 464 с.
16. Смирнова Н.С. Опыт применения рентгенографических данных для оценки соотношения основных соматических компонентов // Вопр. антропологии. - 1966. - Вып. 24. - С. 85-94.
17. Тайц Н.С. Рентгенографический метод измерения жирового слоя // Вопр. антропологии. - 1965. - Вып. 20. - С. 124-127.
18. Усыченко В.В. Анализ методов изучения компонентного состава тела спортсменов // Педагогіка, психологія та медико-біологічні проблеми фізичного виховання і спорту. - 2009. - №7. - С. 183-187.
19. Цивинский С.В. Физика XXI века. - М.: Компания Спутник плюс,
2007. - 408 с.
20. Almendingen K., Hofstad B., Vatn M.H. Does high body fatness increase the risk of presence and growth of colorectal adenomas followed up in situ for 3 years? // Am. J. Gastroenterol. - 2001. - Vol.96, №7. - P. 22382246.
21. Blanc S., Colman R., Kemnitz J. et al. Assessment of nutritional status in rhesus monkeys: comparison of dual-energy X-ray absorptiometry and stable isotope dilution // J. Med. Primatol. - 2005. - Vol.34, №3. - P.130-138.
22. Brozek J. Prokopec M. Historical note: Early history of anthropometry of body composition // Am. J. Hum. Biol. - 2001. - Vol.13, №2. - P. 157-158.
23. Carter M., Zhu F., Kotanko P. et al. Assessment of body composition in dialysis patients by arm bioimpedance compared to MRI and 40K measurements // Blood Purif. - 2009. - Vol.27, №4. - P. 330-337.
24. Conway J.M., Norris K.H. A new approach for the estimation of body composition: infrared interactance // Am. J. Clin. Nutr. - 1984. - Vol.40, №6.
- P. 1123-1130.
25. Dezenberg C.V., Nagy T.R., Gower B.A. et al. Predicting body composition from anthropometry in pre-adolescent children // Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord. - 1999. - Vol.23, №3. - P. 253-259.
26. Doupe M.B., Martin A.D., Searle M.S. et al. A new formula for population-based estimation of whole-body mascle mass in male // Can. J. Appl. Physiol. - 1997. - Vol.22, №6. - P. 598-608.
27. Gallagher D., Heymsfield S.B., Heo M. et al. Healthy percentage body fat ranges: an approach for developing guidelines based on body mass index // Am. J. Clin. Nutr. - 2000. - Vol.72, №3. - P. 694-701.
28. Grafe J.L., McNeill F.E., Byun S.H. et al. The feasibility of in vivo detection of gadolinium by prompt gamma neutron activation analysis following gadolinium-based contrast-enhanced MRI // Appl. Radiat. Isot. -2011. - Vol.69, №1. - P. 105-111.
29. Gray S.R., De Vito G., Nimmo M.A. et al. Skeletal muscle ATP turnover and muscle fiber conduction velocity are elevated at higher muscle temperatures during maximal power output development in humans // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. - 2006. - Vol.290, №2. - P. 376-382.
30. Jennings C.L., Micklesfield L.K., Lambert M.I. et al. Comparison of body fatness measurements by near-infrared reactance and dual-energy X-ray absorptiometry in normal-weight and obese black and white women // Br. J. Nutr. - 2010. - Vol.103, №7. - P. 1065-1069.
31. Kayalar G., Cevikol A., Yavuzer G. et al. The value of calcaneal bone mass measurement using a dual X-ray laser Calscan device in risk screening for osteoporosis // Clinics. - 2009. - Vol.64, №8. - P. 757-762.
32. Koda M., Miyashita M. Densitometry (hydrostatic weighing) for measurement of human body fat mass // Nippon Rinsho. - 1995. - V.53, №1. -P. 165-169.
33. Levitt D.G., Beckman L.M., Mager J.R. et al. Comparison of DXA and water measurements of body fat following gastric bypass surgery and a physiological model of body water, fat, and muscle composition // J. Appl. Physiol. - 2010. - Vol.109, №3. - P. 786-795.
34. Matiegka J. The testing of physical efficiency // Am. J. Phys. Anthropol.
- 1921. - V.4, №3. - P. 223-230.
35. Noori N., Kovesdy C.P., Bross R. et al. Novel equations to estimate lean body mass in maintenance hemodialysis patients // Am. J. Kidney. Dis. - 2011. Vol.57, №1. - P. 130-139.
36. Parizkova J. Studies on the development of active body mass in youth using a method of hydrostatic weighing // Cesk. Fysiol. - 1959. - №8. - P. 426-427.
37. Portal S., Rabinowitz J., Adler-Portal D. et al. Body fat measurements in elite adolescent volleyball players: correlation between skinfold thickness, bioelectrical impedance analysis, air-displacement plethysmography, and body mass index percentiles // J. Pediatr. Endocrinol. Metab. - 2010. - Vol.23, №4.
- P. 395-400.
38. Rokita G., Pluskiewicz W., Halaba Z. et al. The assessment of bone status in women with rheumatoid arthritis // Przegl. Lek. - 2010. - Vol.67, №5.
- p. 409-413.
39. Rutters F., Nieuwenhuizen A.G., Lemmens S.G. et al. Hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis functioning in relation to body fat distribution // Clin. Endocrinol. (Oxf). - 2010. - Vol.72, №6. - P. 738-743.
40. Sempolska K., Stupnicki R. Relative fat content in young women with normal BMI but differing in the degree of physical activity // Rocz. Panstw. Zakl. Hig. - 2007. - Vol.58, №1. - P. 333-338.
41. Thompson L. Unapproved Body Fat Tester Fetches Weighty Fine // FDA Consumer. - 2000. - Vol.34, №1. - P. 34-35.
42. Tseh W., Caputo L., Keefer D.J. Validity and reliability of the BOD POD® S/T tracking system // Int. J. Sports. Med. - 2010. - Vol.31, №10. - P. 704-708.
43. Volpe S.L. Melanson E.L., Kline G. Validation of bioelectrical impedance analysis to hydrostatic weighing in male body builders // Acta Diabetol. - 2010. - Vol.47, №1. - P. 55-58.
44. Westerterp K.R., Smeets A., Lejeune M.P. et al. Dietary fat oxidation as a function of body fat // Am. J. Clin. Nutr. - 2008. - Vol.87, №1. - P. 132-135.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www. pdffactory. com
