水合状态对健康青年男性体成分生物电阻抗法测量结果的影响

周李明非，郭振向，刘 朦，张纸砚，包大鹏

身体成分测试能够反映人体各节段的肌肉、水分和脂肪含量，是评估身体健康状况以及运动员训练和饮食状态的重要指标（Sagayama et al.，2020），我国也将身体成分测试纳入国家队奥运备战的基础体能测试当中。目前身体成分的测试方法主要有水下称重法、空气置换法、双能量X线测量法（dual-energy X-ray absorptiometry，DEXA）、计算机断层摄影法（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）以及生物电阻抗法（bioelectrical impedance analysis，BIA）（邱艳芳等，2020；Lemos et al.，2017）。BIA由于其无创、安全、便携、成本低等优点已成为最常用的体成分测试方法（苌飞霸等，2014；栾培培等，2017），其原理是将人体视为一个导电的圆柱体，导体的总体积可以用长度（length，L）、电阻（resistance，R）和单频电流（L2/R）来进行估算（Ack‐land et al.，2012）。由于人体细胞内液、细胞外液和细胞膜的电学性质不同，藉由微弱的交流电流通过人体各部分的不同频率产生不同的阻抗，最终依靠外部电路测量人体电阻（R）和容抗（capacitive reactance，Xc）（高秀娥等，2012），其中电阻R主要由细胞内液和外液的电学特性决定，而容抗Xc主要由细胞膜之间的电容特性决定（Kyle et al.，2004a）。研究表明，BIA法测量身体成分主要基于二室模型（two-compartment，2C），即将身体分为脂肪（fat mass，FM）和去脂体重（free fat mass，FFM）两部分（Wang et al.，2003），FM和FFM需要通过BIA法测定人体内的液体指标来进行计算，包括细胞外水分（extracellu‐lar water，ECW）、细胞内水分（intracellular water，ICW）、身体总水分（total body water，TBW）等（Kyle et al.，2004b）。在2C模型中，FM与体重相比得出体脂率（percentage of body fat，PBF），并且人们通常认为FFM的73%是TBW（Sagayama et al.，2020），而FFM中的水分及水合状态是影响体成分测量结果的最普遍、最重要的变量（Sagayama et al.，2020）。水合状态是指人体摄入液体使得机体内组织处于水分充盈状态的过程（马冠生等，2020）。已有研究表明，不同的水合状态会影响BIA的体成分测试结果（Sergi et al.，2017）。人体饮水后沿食管进入胃仅停留短暂的几分钟，除少量水分在胃被吸收外，大部分水进入小肠被吸收，后经肾脏重吸收进入膀胱储存。膀胱达到充盈的过程中，水分进入身体各部分，使得ECW、ICE、TBW指标发生变化，从而影响FM和FFM值发生相应变化。

BIA的测量原理使得其测试结果在实际应用操作中会受到受试者饮食、身体水合状态等因素的影响，从而产生较大的测量误差（Marra et al.，2019）。研究发现，饮水是影响BIA测量结果的直接原因。Barreira等（2020）对年龄24.2±6.7岁的100名受试者进行身体成分研究，结果发现，摄入500 ml水后FFM增加、PBF降低。很多BIA测试都会要求受试者在测试前排空膀胱（Leahy et al.，2012；O’Brien et al.，2002）。因此探究受试者测试前是否排空、是否禁止饮水对BIA体成分测量结果的影响对于规范BIA测试方法具有重要意义。但目前大多数研究集中于急性饮水对身体成分的影响或在排空条件下对身体成分进行测量研究，而水合状态和水分不同分布位置对BIA体成分测试结果影响的研究较少。DEXA目前被认为是临床研究中身体成分测试的“金标准”，因此研究中多使用DEXA对BIA测量结果进行检验和校对（Achamrah et al.，2018；Marra et al.，2019）。综上所述，本研究拟通过使用BIA测量胃充盈、排空和膀胱充盈时的身体成分，并与DEXA测试结果进行一致性分析，来探究水合状态对健康青年男性体成分BIA测量结果的影响。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

通过 G-Power 3.1.9.6（德国，Heinrich Heine University）计算本研究样本量，设置Effect Size f为0.25、Power为0.9，计算得出样本量应多于38人。研究对象纳入标准如下：1）18～26岁成年男性；2）身体健康，无消化系统和泌尿系统疾病；3）体内没有植入起搏器、钢板等生物医学金属材料。最终本研究共招募44名健康青年男性作为受试者（表1），均自愿参加本研究。要求所有受试者实验前48 h内没有饮酒或饮用过含咖啡因的饮料，实验前24 h未做过造影、核磁等影像学检查。研究对象在实验前充分了解BIA和DEXA相关基本情况，完全知晓实验目的、实验流程和注意事项，并签署知情同意书。

表1 受试者基本情况Table 1 Basic Information of the Subjects

1.2 实验仪器

1.2.1 生物电阻抗测试仪

体成分测试仪（韩国，Biospace公司，INBODY 720）利用8点接触式电极通过6个不同的频率（1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz、500 kHz、1 000 kHz）分别在 5个节段部分（右上肢、左上肢、躯干、右下肢、左下肢）进行30个阻抗测量，测量人体各部分的不同频率产生不同的阻抗得出相应体成分数据。通过Health One体质健康管理系统（中国，协力创健公司）同步采集体成分指标，最终导出体成分数据报告。

1.2.2 双能量X射线吸收法测试仪

双能量X射线吸收法测试仪（美国，GE Healthcare公司，Lunar）设置测量参数长度196.8 cm、宽度65.8 cm，曝光因素电压100.0 kV、电流-15.6 mA、时间7 min 16 s、剂量3.0 μGv。测试时选择全身检查、标准模式并通过enCORETM软件（美国，GE Healthcare公司）生成体成分数据报告。

1.3 实验设计和流程

李亦斌等（2020）的研究表明，当人体一天总排尿量为850 mL时，尿渗透压约为764 mOsm/kg，身体处于正常水合状态（尿液渗透压≤800 mOsm/kg）。考虑到汗液和呼吸作用能够排出身体部分水分，且本实验需要通过较短时间达到人体正常水合状态，因此选用摄入1 L纯净水作为身体达到水合状态的标准。正式实验前对8名受试者进行预实验发现，摄入1 L纯净水后身体能够达到正常水合状态且过程中无不良反应。

如图1所示，44名受试者在正式测试的前一晚23：00前摄入1 L纯净水。次日清晨6：00测量身高后（读数精确至0.1 cm）使用BIA进行第1次体成分测试（膀胱充盈），随后排尿并记录排出尿液的容积。膀胱排空后使用BIA进行第2次体成分测试（排空），之后补充与排出尿液等体积的纯净水后，使用BIA进行第3次体成分测试（胃充盈）。受试者在每次BIA测试后均进行DEXA体成分测试。BIA和DEXA的3次测试均由相同实验人员完成。

图1 实验流程图Figure 1.Protocol of Experiments

1.4 测试方案

1.4.1 BIA体成分测试

受试者在进行测试前需脱去鞋帽衣裤，并用湿巾擦拭双手双脚后赤脚站于测试仪器的电阻标记处（双脚必须与金属电极片接触）。待仪器报告体重数值后（读数精确至0.1 kg），双手握住手柄（拇指与手掌必须与手柄上的金属电极接触）自然下垂且不能触碰身体，目视前方保持放松静止的站立状态直至测试结束。测试指标包括体脂率（percentage of body fat，PBF，%）、全身水分（total body wa‐ter，TBW，kg）、去脂体重（free fat mass，kg）和体重（body weight，BW，kg）。

1.4.2 DEXA体成分测试

测试前实验人员按照仪器操作要求对扫描仪进行OA校准（Leahy et al.，2012）。受试者需脱去衣帽鞋袜，并除去身上所有金属物品，平躺于扫描仪上，双手放于身体两侧，保持静止姿势，直至实验人员告知扫描结束。测试指标包括4个部分（上肢、大腿、躯干、全身）的体脂率（%）、脂肪质量（kg）和肌肉质量（kg）。

1.5 关键指标

1.5.1 BIA测试原理

如果把人体视作一电阻率为ρ、长度为L、横截面积为A的圆柱体，则人体的阻抗为：

由圆柱体体积V1=L×A可得人体导电物质的体积为：

根据上述公式可定义BIA的阻抗指数（impedance in‐dex，II）：

其中，c为模型常数、H为人体身高、R为人体各节段阻抗，因此当已知人体身高和各节段阻抗时，即可预测受试者体成分指标结果。

1.5.2 体成分指标

其中，FM是体脂含量、BW是体重

体重/kg：BW=FM＋FFM

其中，FFM是去脂体重

全身水分/kg：TBW=FFM×0.73

由上述公式可推导得

1.6 统计方法

所有测试结果的统计描述均采用“平均值±标准差”（M±SD）表示。使用SPSS 26.0统计软件（美国，IBM公司）和MedCalc 19.0一致性分析软件（美国，MedCalc公司）对测试结果进行统计分析。通过Shapiro-Wilk检验数据分布的正态性，使用单因素重复测量方差分析（oneway repeated measures ANOVA）分析膀胱充盈、排空和胃充盈对体成分测量结果的影响，并使用Bonferroni方法进行两两比较。采用Bland-Altman方法对BIA和DEXA体成分测试结果的一致性进行分析，计算两组测试指标的均值和差值并报告一致限（limit of agreement，LoA），最终根据结果是否处于可接受的误差范围来判定BIA和DEXA两种测试结果的一致性（Bland et al.，1986）。显著性水平P设为0.05。

2 结果

2.1 体成分结果的变化

2.1.1 体脂率变化

如表2所示，在膀胱充盈时、排空时、胃充盈时用BIA测得的体脂率有显著性差异（P=0.000）。两两对比分析后发现，排空后的体脂率高于膀胱充盈时的体脂率（P=0.000），胃充盈后体脂率显著高于膀胱充盈时（P=0.001）和排空时（P=0.000，图2）。

表2 不同充盈状态体成分测试结果Table 2 Result of Body Composition in Different Filling Situation

图2 不同充盈状态对体脂率的影响Figure 2.Effect of Percent Body Fat on Different Filling Situation

2.1.2 全身水分和去脂体重变化

如表2所示，在膀胱充盈时、排空时、胃充盈时用BIA所测得的全身水分有显著性差异（P=0.028）。两两对比分析后发现，胃充盈后全身水分与排空时相比无显著差异（P＞0.05），胃充盈时全身水分低于膀胱充盈时（P=0.042），排空后全身水分低于膀胱充盈时的全身水分（P=0.022，图3A）。

研究表明，去脂体重的约73%是全身水分（Lemos et al.，2017；Sagayama et al.，2020），因此依据全身水分结果推算各状态下去脂体重结果（表2）。在膀胱充盈时、排空时、胃充盈时用BIA所测得的去脂体重有显著性差异（P=0.002）。两两对比分析后发现，胃充盈时去脂体重高于排空时（P=0.008），膀胱充盈时去脂体重也高于排空时的去脂体重（P=0.001），胃充盈时与膀胱充盈时去脂体重无显著差异（P＞0.05，图3B）。

2.1.3 体重变化

如表2所示，在膀胱充盈时、排空时、胃充盈时用BIA所测得的体重有显著性差异（P=0.000）。两两对比分析后发现，胃充盈时体重高于排空后（P=0.000），膀胱充盈时也显著高于排空后的体重（P=0.000），胃充盈与膀胱充盈相比体重无显著变化（P＞0.05，图3C）。

图3 不同充盈状态对全身水分、去脂体重和体重的影响Figure 3.Effect of TBW、FFM、FM on Different Filling Situation

2.2 BIA测量结果和DEXA测量结果的一致性检验

2.2.1 体脂率测量结果的一致性

方差分析显示，DEXA 3次测试中体脂率结果无显著性差异（P=0.444）。一致性分析显示，3次测试中BIA与DEXA的体脂率测试结果分别存在5.3%、4.7%、4.5%的差值均值，BIA测试的体脂率结果明显低于DEXA，且在膀胱充盈状态时体脂率差值最高，胃充盈状态时体脂率差值最低（表3，图4A～图4C）。3次测试中BIA与DEXA样本在一致限范围外各有1点，占样本总量的2.3%。说明在3种状态下两种测试方法的绝大多数（97.7%）样本均在一致限范围内，两种测试体脂率结果具有较高一致性。

图4 BIA和DEXA体脂率的Bland-Altman散点图Figure 4.Percent Body Fat Scatter Plot of BIAand DEXA by Bland-Altman

表3 BIA和DEXA体脂率测试结果的一致性Table 3 Agreement Result of Percent Body Fat in BIAand DEXA

2.2.2 去脂体重测量结果的一致性

方差分析显示，DEXA 3次测试中去脂体重结果无显著性差异（P=0.154）。一致性分析显示，3次测试中BIA与DEXA的去脂体重测试结果存在4.2 kg、3.5 kg、4.1 kg的差值均值，BIA测试的去脂体重结果明显高于DEXA，且在排空状态时二者相差最小（表4，图5A～图5C）。3次测试中BIA与DEXA样本在一致限范围外各有3个点，占样本总量的6.8%。说明在3种状态下两种测试方法的绝大多数（93.2%）测试样本在一致限范围内，两种测试去脂体重结果具有较高一致性。

图5 BIA和DEXA去脂体重的Bland-Altman散点图Figure 5.Fat Free Mass Scatter Plot of BIA and DEXA by Bland-Altman

表4 BIA和DEXA去脂体重测试结果的一致性Table 4 Agreement Result of Fat Free Mass in BIAand DEXA

3 讨论

本研究发现，水合状态及其分布位置对BIA体成分测试结果有显著影响，不同充盈状态下水分分布位置不同，膀胱充盈时的体成分测量结果比胃充盈时受水分影响更大。膀胱充盈时体脂率最低是因为水分被身体吸收和利用，转化为全身水分从而影响测量结果；胃充盈状态下体脂率最高主要是饮水使得体重增加，进而导致测量结果变化；而排空时测量结果受影响较小。与DEXA测试结果对比，同样发现在排空时更接近身体成分实际结果。

3.1 水合状态对BIA体成分结果变化的影响

通过本研究可以看出，随着水分在人体内被不断吸收，BIA测试中体脂率会降低、全身水分升高。这说明水分在身体中的分布位置不同会明显影响体脂率结果，测试前短时间内饮水使得结果偏高、不排空膀胱导致结果偏低。Androutsos等（2015）利用BIA法对比55名健康成年人在空腹、饮水后即刻、饮水后30 min、60 min、90 min、120 min 6种状态下的体脂含量和体脂率，发现摄入水后会显著提高体脂含量和体脂率，而在饮水后的4个时间间隔前均排空膀胱后发现体脂含量和体脂率没有明显变化。这说明水在不同部位的分布会影响BIA测试结果。随着水分被不断吸收和利用，身体由胃充盈状态逐渐转变为膀胱充盈状态，此时体重不变而去脂体重增加。当摄入水较长时间时膀胱达到充盈状态，机体对水分的不断吸收和利用使得全身水分增加从而体脂率降低（张娜等，2019）。本研究发现，在BIA测试前大量饮水会显著影响体脂率和去脂体重的测试结果，其原因可能是由于饮水使得体重增加从而导致体脂率升高。有研究报道，在摄入500 ml水分后30 min内使用BIA方法检测全身水分并不会有显著性变化（Matthews et al.，2019）。本研究也发现，饮水后即刻全身水分并无明显变化，因此饮水后BIA体成分测试结果发生的一系列变化主要是饮水提高了人体自身体重所导致，这也是目前大多BIA身体成分测试时要求受试者实验前4～8 h禁食禁水的主要原因（贺静等，2016）。

膀胱排空后导致的受试者体重下降而脂肪含量不变的情况，使得测试结果中体脂率升高，同时全身水分减少会造成测试结果中去脂体重下降。Sergi等（2017）在研究影响BIA结果的诸多因素中发现，仪器、实验人员、测试环境和受试者4种变量是影响BIA测试结果的主要因素，其中受试者在禁食8 h后、膀胱排空即刻进行测试，体脂质量和去脂体重与“金标准”（DEXA）差值最小。膀胱充盈与测试实际情况中憋尿或未排空的状态类似，此时体内抗利尿激素和醛固酮激素的分泌也会受到抑制，在激素的刺激下，肾脏进一步减少对水的重吸收，使得尿量增加，这也是导致膀胱排空后体重下降和全身水分减少的原因之一。由此可知，测试前排空膀胱会减少水分对于BIA测试结果的影响。

3.2 体成分结果一致性

BIA与DEXA体成分结果虽存在差值，但一致性较高。说明两种测试方法都能有效评价体成分，DEXA测试结果不会受到水合状态影响，但BIA测试结果受到饮水和憋尿的影响，且与实际值有一定误差（Achamrah et al.，2018）。Bracco等（1996）对比发现，51名女性的去脂体重在BIA和DEXA测试中全身体脂率差值约7%。Hosking等（2006）对203名儿童进行BIA测试，同样发现男生去脂体重结果高于DEXA测量值2.4%、体脂率低于DEXA测量值4.8%。这与本研究结果基本一致，而造成二者差值的原因主要是基本原理的差异。BIA是利用人体不同成分的导电性差异推测身体成分，而本实验中通过改变体内水分含量和充盈位置导致测试时身体各节段的导电性改变，从而造成结果变化。DEXA测试是通过两条稀释X射线来扫描肌肉与骨骼的质量，并将身体各部分明确分隔开进行测量（Shepherd et al.，2017），其本质是通过比较身体各部分不同的密度来进行体成分测量，而水的密度较低并不会对DEXA测试结果造成影响。

统计结果表明，在3种不同充盈状态下，排空时体脂率和去脂体重较接近实际值，而膀胱充盈时与实际值差异较大。O’Brien等（2002）对1987－2002年有关水合状态影响BIA测试的研究进行综述，发现人体水合状态往往伴随液体和电解质的变化，这种变化会导致人体各阶段生物阻抗发生变化，从而影响BIA对全身水分的有效估计。8名健康成年男性按随机顺序接受高渗透压、低渗透压、等渗透压3组干预后进行BIA体成分测试发现，过水合状态下全身水分显著增加，脱水状态下全身水分明显下降，均会影响体脂率和去脂体重的测试结果，只有正常水合状态下全身水分保持不变（Berneis et al.，2000）。说明无论憋尿还是饮水都会对人体水合状态产生影响，进而导致全身水分变化，最终影响BIA身体成分测试结果，并且在憋尿时的影响更显著。从而进一步印证了在排空时BIA体成分测试的结果信度和效度更好。

综上所述，膀胱充盈状态对人体总水分的影响显著大于胃充盈状态，排空时BIA法体成分测试结果较为准确。因此建议在使用BIA进行体成分测试前，应排空膀胱或禁水以减少与实际值的差值。

3.3 局限性

本文仅对青年健康男性进行不同充盈状态下BIA体成分测试，未来可针对不同年龄、性别、肥胖程度开展BIA体成分对比实验，为改进BIA测量方程式、设定更精确的测量程序提供理论和实践依据。

4 结论与建议

水合状态对BIA测量结果有显著影响，膀胱充盈状态时影响最大、胃充盈时次之、排空时影响最小。排空时，BIA测量结果与DEXA测量结果一致性最高。

建议采用BIA方法测试体成分前应要求受试者空腹、排空并限制饮水。