Metody pomiaru wydatku energetycznego osób aktywnych fizycznie

Dla człowieka źródłem energii niezbędnej do życia jest energia chemiczna zawarta w składnikach pożywienia. Jeden gram węglowodanów, podobnie jak 1 gram białka, dostarcza 4 kcal, zaś utlenienie jednego grama tłuszczów zawartych w spożytym pokarmie wiąże się z uwolnieniem 9 kcal (1 g alkoholu – 6 kcal).

Fot. pixabay.com

Zgodnie z zaleceniami racjonalnego żywienia udział kaloryczny białek, tłuszczów i węglowodanów nie jest równoważny, gdyż w prawidłowo zestawionej dziennej racji pokarmowej najwięcej energii powinno pochodzić z węglowodanów (55–75%), a tłuszcze nie powinny dostarczać więcej niż 30% (15–30%). Udział białka w całodziennej ilości energii dostarczanej z dietą powinien się mieścić w granicach 10–15%.

Bilans energetyczny

Ryc. 1. Bilans energetyczny człowieka

Wartość kaloryczna diety powinna pokrywać zapotrzebowanie energetyczne związane z codziennym wydatkiem energetycznym człowieka. Utrzymanie zrównoważonego bilansu energetycznego (ilość energii dostarczanej z pożywieniem równoważy ilość energii wydatkowaną na czynności podejmowane w ciągu doby) jest istotną zasadą racjonalnego żywienia nie tylko sportowców. Kontrola kaloryczności całodziennej racji pokarmowej osoby o dużej aktywności fizycznej w kontekście zrównoważenia dziennego wydatku energetycznego wpływa nie tylko na utrzymanie prawidłowego składu masy ciała, ale także na zachowanie zdrowia i optymalnej sprawności fizycznej.

I. Metody kalorymetryczne

Metody te wykorzystują kryterium metaboliczne, jakim jest ciepło (kalorymetria bezpośrednia) lub wymiana gazów oddechowych (kalorymetria pośrednia).

Metoda kalorymetrii bezpośredniej

To najstarszy sposób określania wydatku energetycznego, opierający się na założeniu, że każda postać energii wykorzystywanej przez organizm (energia mechaniczna, chemiczna czy elektryczna) ostatecznie zamieniana jest w energię cieplną, zatem ilość ciepła wydzielanego przez organizm odzwierciedla poziom przemian energetycznych (równoważy ilość zużywanej energii). Pomiar polega na oznaczeniu ilości ciepła wydzielanego przez organizm znajdujący się w komorze kalorymetrycznej, urządzeniu przypominającym pomieszczenie, otoczonym obiegiem wodnym. Na podstawie zwiększenia się temperatury wody otaczającej ściany komory określa się ilość wydzielanego ciepła (w jednostce czasu).

Aby określić ilość energii potrzebną do pokrycia zapotrzebowania energetycznego sportowca i zapewnienia tym samym osiągnięcie stanu zrównoważonego bilansu energetycznego, należy wyznaczyć całodzienny wydatek energetyczny. Celowi temu służą rozmaite metody pomiarowe (kalorymetria bezpośrednia, kalorymetria pośrednia i metody niekalorymetryczne), różniące się przede wszystkim dokładnością pomiarową i kosztem wykonania oznaczeń.

I. Metody kalorymetryczne

Metody te wykorzystują kryterium metaboliczne, jakim jest ciepło (kalorymetria bezpośrednia) lub wymiana gazów oddechowych (kalorymetria pośrednia).

Metoda kalorymetrii bezpośredniej

To najstarszy sposób określania wydatku energetycznego, opierający się na założeniu, że każda postać energii wykorzystywanej przez organizm (energia mechaniczna, chemiczna czy elektryczna) ostatecznie zamieniana jest w energię cieplną, zatem ilość ciepła wydzielanego przez organizm odzwierciedla poziom przemian energetycznych (równoważy ilość zużywanej energii). Pomiar polega na oznaczeniu ilości ciepła wydzielanego przez organizm znajdujący się w komorze kalorymetrycznej, urządzeniu przypominającym pomieszczenie, otoczonym obiegiem wodnym. Na podstawie zwiększenia się temperatury wody otaczającej ściany komory określa się ilość wydzielanego ciepła (w jednostce czasu).

Metoda kalorymetrii pośredniej

Podstawą metody kalorymetrii pośredniej jest założenie, że energia wykorzystywana przez organizm uzyskiwana jest w wyniku utleniania składników odżywczych (węglowodanów, tłuszczów i białek). W reakcjach tych zużywany jest tlen i wydzielany dwutlenek węgla, w ilościach proporcjonalnych do wydatkowanej energii.

Pomiar wydatku energetycznego polega na respiracyjnym określeniu wymiany gazów oddechowych (objętości zużytego tlenu i wydzielonego dwutlenku węgla) w jednostce czasu. Ilość wydatkowanej energii oblicza się na podstawie równoważnika energetycznego tlenu, którego wartość zależy od współczynnika oddechowego (R) (R=VCO2/VO2) i mieści się w przedziale 0,70–1,0. Dla R równego 0,71 równoważnik energetyczny wynosi 4,68 kcal, a dla R równego 1,0 równoważnik energetyczny wynosi 5,05. Warto zaznaczyć, że wartość współczynnika oddechowego zależy od wielu czynników, m.in. od rodzaju wykorzystywanego substratu energetycznego. Przykładowo przy czerpaniu energii jedynie z węglowodanów R wynosi 1, natomiast przy wykorzystywaniu tłuszczów jako jedynego źródła energii – 0,7. Mierząc zatem tzw. koszt tlenowy (l * min-1 lub ml * kg-1 * min-1) i znając równoważnik energetyczny tlenu, można oznaczyć koszt kaloryczny danej czynności.

Kalorymetrię pośrednią uważa się za metodę szczególnie przydatną w ocenie wydatku energetycznego wysiłku, zwłaszcza aerobowego (tlenowego). Koszty energetyczne wysiłku mogą stanowić kryterium klasyfikacji pracy o zróżnicowanym stopniu ciężkości (tab. 1.).

W przypadku dłuższych pomiarów wykonywanych metodą kalorymetrii pośredniej należy uwzględnić również ilość azotu wydzielonego z moczem w czasie ich trwania. Do wyliczenia ilości wydatkowanej energii można wykorzystać wzór opracowany przez Elie i Libseya:
EE = 15,91 * VO₂ + 52,07 * VCO₂ – 4,646 * N₂ EE = wydatek energetyczny (energy expenditure) (kJ/min) Objętości tlenu i dwutlenku węgla wyrażone są w dm³/min, a azotu w g/min.

Do oznaczeń stosuje się przyrządy zwane respirometrami, zbudowane z maski, analizatorów składu gazów oddechowych, a także systemu bezprzewodowej rejestracji pulsu. Obecnie istnieją dwa typy ergospirometrów: stacjonarne (wykorzystywane najczęściej w warunkach laboratoryjnych) i mobilne (przenośne), używane przede wszystkim do pomiarów w terenie, np. ergospirometr 2000M, MES lub COSMED K2.

Wydatek energetyczny wyrażać można także jako równoważnik metaboliczny MET. Jeden MET równy jest spoczynkowemu pobieraniu tlenu (ok. 3,5 ml * kg-1 * min-1). Ostatnio poprzez wartość równoważnika metabolicznego zaczęto określać intensywność aktywności fizycznej, przedstawiając ją jako wielokrotność jednego MET. Jeden MET określa zużycie jednej kilokalorii energii przez jeden kilogram masy ciała w ciągu jednej godziny spoczynku (spokojne siedzenie) (kcal/kg mc./h), zaś liczba MET oznacza, ile razy więcej energii jest zużywane podczas wykonywania wysiłku w porównaniu z energią wydatkowaną w czasie spoczynku. Bardzo wolny spacer (<3 km/h) to mała aktywność fizyczna, określana jako 2 MET, wolny spacer (3 km/h) – 2,5 MET. Umiarkowany poziom aktywności fizycznej zawarty jest w przedziale 3–6 MET, np. szybki spacer (6 km/h) – 3 MET, rekreacyjna jazda na nartach – 5 MET, jazda na rowerze z prędkością 15–18 km/h lub średnio intensywne zajęcia fitness – 6 MET. Intensywna aktywność fizyczna to wydatek energetyczny 7–12 MET, np. tenis (gra singlowa) lub bieg z prędkością 8 km/h – 8 MET, pływanie (kraul) – 10 MET, bieg (12 km/h) – 12 MET. Mnożąc liczbę MET przez liczbę kilogramów masy ciała i czas trwania danej aktywności (wyrażony w godzinach), można oszacować wydatek energetyczny tej czynności.

II. Niekalorymetryczne metody pomiaru wydatku energetycznego metodą podwójnie znakowanej wody

Metoda podwójnie znakowanej wody (doubly labelled water – DLW) polega na znakowaniu cząsteczek wody znajdującej się w płynach ustrojowych organizmu trwałymi izotopami 18O i 2H (deuter), podanymi doustnie, a następnie na zmierzeniu szybkości eliminowania każdego z tych izotopów z organizmu. Wydatkowi energii towarzyszy wydzielanie CO₂ oraz wody, powstałych w wyniku przemian katabolicznych. Znakowany tlen znajdzie się w wydzielanej wodzie i w dwutlenku węgla, zatem będzie szybciej usuwany z organizmu niż deuter, którego nadmiar będzie usuwany z wodą. Różnica szybkości zaniku obu izotopów wykorzystywana jest do określenia ilości wydzielonego CO₂ (zależność proporcjonalna) powstałego w wyniku przemian metabolicznych, co stanowi podstawę do wyliczenia całkowitego wydatku energetycznego badanej osoby w długim okresie pomiarowym (do 3 tyg.). Metoda podwójnie znakowanej wody uznawana jest za standard pomiaru aktywności fizycznej.

W kolejnej grupie metod wykorzystuje się do pomiarów specjalne przyrządy (mierniki).

Pomiar tętna

Ryc. 5. Sport-tester – pomiar wydatku energetycznego na podstawie monitoringu pracy serca

Monitoring tętna może w określonych warunkach stanowić sposób na pośrednie określenie poboru tlenu w celu oznaczenia wydatku energetycznego. Metoda wykorzystuje zjawisko zwiększenia natężenia przemian energetycznych następującego wskutek zwiększonego zaopatrzenia komórek w tlen i substraty energetyczne. Związany z tym wzmożony przepływ krwi przejawia się zmianami częstotliwości skurczów serca. Metoda bazuje na liniowej zależności między częstotliwością skurczów serca (heart rate – HR) a wielkością poboru tlenu (VO₂) w trakcie wysiłku. Pomiar musi być poprzedzony wyznaczeniem indywidualnej zależności regresyjnej HR/VO₂ podczas wysiłku o różnej intensywności. Metodą tą można oznaczać wydatek energetyczny wysiłku oraz całodobowy wydatek energetyczny (monitorowanie pracy serca z odpowiednio dużą częstotliwością, np. co minutę). Wyznacza się okresy w ciągu doby, w których VO₂ szacowane jest z krzywej regresji liniowej, oraz takie, w których wydatek energetyczny odpowiada metabolizmowi spoczynkowemu, a następnie sumuje wszystkie wydatki.

Najbardziej rozpowszechnionym przyrządem do ciągłego monitorowania pracy serca jest POLAR SPORT TESTER, składający się z niewielkiego transmitera na pasku mocowanym na klatce piersiowej i nadgarstkowego monitora w kształcie zegarka. Istnieje możliwość przekazywania zebranych danych za pomocą interfejsu do komputera, co umożliwia ich dalszą analizę.

Metody pomiaru wydatku energetycznego na podstawie czujników ruchu

Do najprostszych sposobów oceny wydatku energetycznego należą metody wykorzystujące elektroniczne lub mechaniczne czujniki ruchu, rejestrujące np. liczbę kroków (pedometry, krokomierze) lub analizujące przemieszczanie się ciała w przestrzeni (akcelerometry).

Metody pomiaru wydatku energetycznego na podstawie analizy kinematycznej bazują na założeniu, że aktywność fizyczna wyraża się przemieszczeniem ciała w przestrzeni dzięki pracy odpowiednich grup mięśni, co bezpośrednio wiąże się z wydatkowaniem energii. Pomiar polega na detekcji i rejestracji ruchu (przyspieszeń ciała) w przestrzeni. Najprostszym wykorzystywanym przyrządem jest krokomierz, umieszczany na wysokości talii, za pomocą którego oblicza się liczbę kroków wykonanych przez osobę badaną w ciągu doby lub w innym określonym czasie. Jego funkcjonowanie opiera się na działaniu wahadła i rejestrowaniu zmian prędkości ruchu (np. siedzenie, chodzenie, bieg), jednak bez możliwości oceny intensywności wykonywanych czynności.

Dokładniejszymi urządzeniami są akcelerometry (przyspieszeniomierze), jedną z funkcji których jest przeliczanie zarejestrowanego ruchu na kilokalorie oraz ocena intensywności, częstości i czasu trwania wysiłku. Większość akcelerometrów ma wbudowany element pizoelektryczny oraz masę sejsmiczną, a ich działanie wykorzystuje zjawisko pizoelektryczne. W wyniku przyspieszenia masa sejsmiczna powoduje deformację elementu pizoelektrycznego (zginanie, rozciąganie, ściskanie), co z kolei generuje sygnał o zmianie napięcia wyjściowego, która jest proporcjonalna do przyspieszenia. Ze względu na liczbę płaszczyzn osi, w których może być mierzone przyspieszenie, wyróżnia się akcelerometry jednoosiowe (pomiar w osi pionowej) oraz dwu- lub trzyosiowe (dodatkowo w osiach poprzecznej i strzałkowej).

Na rynku dostępne są monitory I lub II generacji. Pierwsze z nich to pojedyncze akcelerometry, noszone na wysokości talii, na nadgarstku lub na kostce (Caltrac, Tritrac-R-3D, RT3, ActiGraph, Actical, Actiwatch), a akcelerometry II generacji to przyrządy multisensoryczne (wieloczujnikowe), mocowane na różnych segmentach ciała (IDEEA, MINISUN) oraz łączące detekcję przyspieszenia z rejestracją parametrów fizjologicznych, np. tętna, temperatury ciała (ActiHeart, ActiTrainer).

Metoda chronometrażowo-tabelaryczna (kwestionariuszowa)

Polega na skrupulatnym zapisie w dzienniczku lub specjalnym kwestionariuszu (w postaci tabelki) wszystkich czynności podejmowanych w ciągu doby, z zaznaczeniem czasu ich trwania (min lub h) (zobacz przykład [PDF]).

Na podstawie tabel kosztów energetycznych poszczególnych czynności (literatura źródłowa – Celejowa 1983, tab. 3.) wylicza się wydatek energetyczny, mnożąc koszt energetyczny tej czynności przez czas trwania czynności oraz masę ciała badanej osoby. Przykładowo wydatek energetyczny dziewięciogodzinnego snu mężczyzny o masie ciała 80 kg równa się 734 kcal (0,017 * 540 * 80) (tab. 4.).

W zależności od wielkości wydatku energetycznego różnych czynności sklasyfikowano je jako pracę bardzo lekką, lekką, średnio ciężką, ciężką, bardzo ciężką i ekstremalnie ciężką (tab. 5.).

Analiza porównawcza metod pomiaru wydatku energetycznego

Warto zwrócić uwagę, że nie istnieje idealne narzędzie oceniające aktywność ruchową człowieka. Dobierając metodę wyznaczenia zapotrzebowania energetycznego (całkowitej przemiany materii, dobowego wydatku energetycznego) lub kosztów energetycznych poszczególnych rodzajów wysiłku (czynności), warto zwrócić uwagę na zalety i wady opisanych powyżej metod pomiaru wydatku energetycznego oraz dostosować wybór metody do indywidualnych potrzeb osoby badanej. Z pewnością wymienione metody, z wyjątkiem metody kwestionariuszowej, należy zaliczyć do metod obiektywnych. Omówione w artykule metody szacowania wydatku energetycznego stanowią niezbędne narzędzie badawcze w bilansowaniu zapotrzebowania energetycznego osób o dużej aktywności fizycznej.