人体成分分析的八种方法

近年来，测量人体成分的方法和技术日新月异，其中有些建立在直接的生理学基础之上，而有些则较为间接。现从方法学的角度讨论了每种技术的适用范围和局限性，及其与“多室模型”之间的联系，同时也提供了目前这一领域的整体概况。
一、人体成分模型
1.二室模型（Two－Compartment  Models，2C模型）
2C模型是人体成分模型的经典之作，它将人体分为两部分：一为脂肪组织（Fat  Mass，FM），一为非脂肪组织（Fat  Free  mass，FFM）。前者的直接测量难度很大，但如果可以确定后者，那么前者即可通过体重与FFM间的差值间接得出，这也就是2C模型的应用原理。
最早和最常用的2C模型基于人体密度的测量，即水下称重法（Under  Water  Weighing，UWW），其它的方法如放射性钾（40K）计数法和放射性水稀释法需要更为精密的技术，FFM中水和钾的含量分别假设为常数0.732／kg和68.1meq／kg。虽然FFM的密度被视为固定常数，但它在不同年龄、种族、病理状态的人群中都是特异的。

2.三室模型（Three－Compartment  Models，3C模型）
此模型又将FFM再分为两部分：水和固态物（主要是蛋白质和矿物质），方法主要是同位素稀释法测全体水量。比起2C模型，它有所进步，但对于明显蛋白质缺乏或骨矿缺乏的患者来说，固态物的值将不够精确，进而影响体脂的结果分析。

3.四室模型（Four－Compartment  Models，4C模型）
要将2C模型扩展为4C模型，必须对蛋白质、矿物质和全体水量分别进行精确测量。此模型所用的UWW将人体蛋白质和骨矿的密度分别假设为1.34 kg／L和3.075 kg／L。然而，为得到这些数据，其它两种测量方法（中子激活分析和双能X线吸收法）是必需的，所以，从一定意义上来说，UWW显得“多余”了，因为这两种方法本身就能够精确测量体脂含量。改进后的4C模型将FFM分为三个基本的“室”：体细胞质量室（Body Cell  Mass，BCM），细胞外水室（Extracellular  Water，ECW）和细胞外固体室（Extracellular  Solids，ECS）。其中，BCM可用全体水量、40K计数或血浆40K稀释法测量，ECW可用溴或硫酸化合物稀释法测量，ECS可用全体钙量和骨矿含量测量。FFM＝BCM＋ECW＋ECS＋BFM＝BW－FFM。此法的不足在于测量误差的累积效应。

3.四室模型（Four－Compartment  Models，4C模型）
要将2C模型扩展为4C模型，必须对蛋白质、矿物质和全体水量分别进行精确测量。此模型所用的UWW将人体蛋白质和骨矿的密度分别假设为1.34 kg／L和3.075 kg／L。然而，为得到这些数据，其它两种测量方法（中子激活分析和双能X线吸收法）是必需的，所以，从一定意义上来说，UWW显得“多余”了，因为这两种方法本身就能够精确测量体脂含量。改进后的4C模型将FFM分为三个基本的“室”：体细胞质量室（Body Cell  Mass，BCM），细胞外水室（Extracellular  Water，ECW）和细胞外固体室（Extracellular  Solids，ECS）。其中，BCM可用全体水量、40K计数或血浆40K稀释法测量，ECW可用溴或硫酸化合物稀释法测量，ECS可用全体钙量和骨矿含量测量。FFM＝BCM＋ECW＋ECS＋BFM＝BW－FFM。此法的不足在于测量误差的累积效应。

4.多室模型（Multicompartment  Models，mC模型）
显而易见，每增加一种测量就可能增加一个“室”，只要这种新增的测量是独立于前面所有测量的。例如，估计ECW时可用全体氯量（Total  body  Cl，TBCI）的稀释测定代替全体溴量（Total  body  Br，TBBr），不过，若TBCI和TBBr的稀释同时进行，也不会得到更多信息，但二者可以相互印证。其它测量体脂和体水的方法有：中子激活法同时测定碳和氢以分别估计体脂和体水；双能X线吸收法和员稀释法分别测量体脂和体水；体氮和体钾同时用于测量骨骼肌、非肌肉瘦体组织和内脏组织的质量。另外，MRI和CT也可提供很多解剖信息，但需要多层扫描，而且相应的组织密度应该已知。值得一提的是，这两种扫描技术的敏感性不及生化组成模型，因为在很多疾病，当生化组成已发生明显异常时，其解剖结构仍是正常的。
Wang等人在总结了过去50年关于体室模型的研究后提出：人体成分研究的标准——五级水平多室模型。
每一级水平都有相应的方程描述，而且各级水平间也有转换方程。总体说来，生化组成（如氘、碳、氢、氮、钙量）与分子构成（如水、蛋白、脂肪、骨矿）间的关系在健康和疾病状态下都是相对稳定的。可见，从元素水平研究人体成分更为可靠，因为它对组织密度，含水量和／或结构的假设误差小得多。

二、人体密度和体积的测量
1.水下称重法（Under  Water  Weighing，UWW）
人体密度测量的早期而广泛的应用使其成为人体成分测量的金标准，而水下称重法（UWW）又是最为常用的技术。它要求被测者完全浸入水中，利用其排开的水的体积和体重，就可以计算出整个人体的密度。
在2C中，BW＝FM十FFM，1／Db＝fFm／DFM＋fFFM／DFFM，其中DFM和DFFM分别代表脂肪组织和非脂肪组织的密度，一般说来，DM是不变的，但DFFM却可以随性别、种族、生长发育、年龄、体育锻炼及疾病种类的变化而变化。因此，3C或4C模型便发展了对FFM即蛋白、水和矿物质的测量技术，见表1。

表1  UWW分别在2C、3C、4C模型中测定（％fat）
模型        ％fat方程        辅加方法        样本
2C        100×（4.95／DL－4.50）×100                 290
        100×（4.95／DL－4.142）                30
3C        100×（2.118／DL－0.78fTBW－1.354）        D2O        291
        100×（6.386／DL－3.96fTBW－1.354）        DEXA or NAA        184
4C        100×（2.747／DL－0.714fTBW＋1.146fbone－2.0503）        D2O and DEXA        284

UWW存在的主要问题是对人体体积和肺残气量的估计，有文献报道，对于肺残气量的校正，最常用闭合回路型肺活量计的氧稀释法，但就老年人或呼吸功能不全的人来说，开放回路型氮清除法可能更好一些。3C或4C模型中近似的估计方程是造成最终脂肪含量结果产生误差的根本原因，因此，若缺乏对水和矿物质的精确校正，密度的测量不应作为不同人群的参考指标。不过，对于妊娠病例，UWW比放射性方法安全得多，此时可以考虑。

2.空气置换体积描记法（Air－Displacement  Plethysmography，ADP）
因被测者不必全身浸入水中，故近来UWW有逐渐被ADP取代的趋势。ADP系统包括两个室：一个用于被测者，另一个用作参照体积。当被测者进入一室时，门被关闭和密封，室内压会轻微升高，此时两室间的隔板会轻微形变从而改变两室的体积。利用一定温度下气压与体积间的关系就可算出人体体积，不过，UWW中存在的技术问题在ADP同样无法解决。近来已有研究表明：健康成人的ADP与UWW具有良好的一致性，但幼儿的情况还未见报道。
然而，即使所有的技术限制都能被解决，FFM的通用密度的生理精确性问题仍然存在：不论是解剖研究还是生化研究，其结果都显示不同个体间的密度测量的精确性很差。所以，在没有深入研究的情况下，2C模型（ADP）只能用于某个人群概况的估计或短期内监测个体脂肪含量的变化。

三、同位素测定法
1.全体水量（Total  Body  Water，TBW）
对于mC模型中的分子水平来说，占机体质量比例最大的单个分子是H20。在健康成人，TBW占FFM的73％左右和BW的60％左右，不过这些比例系数并非固定不变，而是随着年龄增长和疾病发生等不同情况而不断变化着的，这种变化反映了ICW和ECW问比例的变化。Wang等最近重新研究了“水合常数”的概念，发现即使很大的ECW／ICW变化也不会过大影响水合（TBW／FFM）的值。这一发现对于那些致力于研究如何控制体脂量的人来说很有意义（在FM＝BW－FFM和测量技术着眼于体水的参数的前提下）。不过，如果研究者兴趣在于体细胞质量（Body Cell  Mass，BCM）或细胞外水间隙（如脱水或水肿），那么这种仅适于测量全体水量的技术就显得有些力不从心了。
最早也是最直接测量TBW的技术是用同位素标记水（氘，氚或18O），分别取两次体液标本（血、尿或唾液）：一为用药前，一为用药后2～3h。分析方法取决于所选示踪剂：氚用β粒子计数法，18O用质谱分析、红外吸收、气相色谱法等，氘用质谱分析法。每一种方法都已有研究表明有2％～4％的放射性氢与疏水性氢发生交换，但仅有约1％的18O发生交换。每种示踪剂所致的IBW测量误差都＜1 kg，对于成年男性，这一IBW误差导致FM发生10％的误差，进而导致脂肪百分比发生2％的误差。但是，总体说来，利用同位素测定法获得的IBW值与其它方法相比被认为是标准值。

2.细胞外水（Extracelllar  Water，ECW）和细胞内水（Intracellular  Water，ICW）
ECW和ICW的测定基本相同，但ECW的示踪剂是加在水中，且体液标本多采用血浆。最常用的示踪剂是无放射性经口服的溴，第二次血浆标本一般于3～4h后收集，分析一般采用高压液体气相色谱法，不过也有用X线荧光显影、质谱分析、分光光度法的。
3.全体钾量（Total  Body Potassium，TBK）
40K计数是最早用于人体生化研究的，这一同位素占天然钾的0.012％并以2 dpm／gk的速率释放高能γ射线（1.46MeV）。这种7射线的50％以上将离开入体，从而使得体外计数成为可能。例如，一个70kg的成年男性，其体内所含钾可产生1.5×104γ射线份，而一个未足月胎儿（＜2kg）只有500 y射线／分。为得到40K的精确测量值，有三点设计考虑：
①良好能量分辨率和高频的γ射线探头
②被测对象周围足够的屏蔽和降低区域性伪影的探头；
③针对性识别40K的1.46MeV γ射线的数据收集系统。
Baylor医学院开展了从未足月胎儿到肥胖成人的全体钾量的测定，方法如下：被测者平卧于两层NaI探头之间的床上，床放在由20 cm厚的钢板及其外1m厚的水泥共同建成的房间内。信息采集15 min后校正背景并转换为全体钾量（TBK），不同身材的个体可进行校正和比较。
TBK主要用于估计体细胞质量，也可用TBK／FFM估计FFM。在不同个体间，TBK被认为是代谢参数标准化的最佳选择。虽然其绝对准确性还未得到充分肯定，但其高度精确性的测量已经成形。TBK未来的研究方向不应局限于估计脂肪的2C模型的应用，而应向测量BCM的mC模型发展，比如为进一步深入研究而联合应用TBK、BIS、DEXA等技术的3C模型，这一模型适用于与异常体液交换，内分泌紊乱或激素异常相关的疾病。

四、生物电阻抗和电导法
1.生物电阻抗分析（Bioelectrical  Impedance  Apectroscopy，BIA）
BIA价格便宜，操作容易，携带方便等优点已使其成为目前应用最广泛的方法之一，它使用4个电极：2个连在手腕上，另外2个连在脚踩上。单频（50KHz）法测量时，一个微弱的交流电通过外电极，此时内电极上可测量到电势的降落。为将电流信息转换为体积信息，应提出2个基本假设：
①机体可被视为均匀的圆柱状导体，其长度与身高（Ht）成正比；
②机体对电流的反应性（X）很小，故其电阻（R）可被等同于阻抗。
当上述2条假设均成立时，阻抗指数＝Ht2／R。当然，机体并非一个均匀的圆柱状导体，而且对电流的反应性也并非为零。
2.生物电阻抗分光法（Bioelectrical  Impedance  Spectroscopy，BIS）
这个更为复杂的模型建立在混合理论基础上：把人体分为一系列圆柱体，每一个圆柱体代表不同的人体节段。此模型中，电阻和阻抗的测量是在较宽的频率范围内进行的。目前此技术和仪器都已上市。
然而，且不论是单频还是多频，就所得的阻抗值来说，是一个间接的人体参数，因此必须用一个更直接的方法来校正，比如全体水量，钾、氢密度测量或DEXA。很多研究表明：
①不同单频BIA方法的校正方程几乎都是群体特异性的，特别是那些包括人体测定学指标的；
②作为参考的2C模型不包括由骨矿含量差异及其所反映的意义。
以上的缺陷使得单频BIA只适用于群体学研究，而且Ht2／R本身不是一个精确指标，必须辅以其它人体测定值如体重、年龄、性别、种族、肩宽、腰臀比，体重指数等才能减少估计值的标准差。
3.全体导电性（Total  Body  Electrical  Conductivity，TOBEC）
原理：当人体置于一个能够产生随时间变化的电磁场的螺线管内部时，人体会有涡旋电流产生，这些电流的方向与线圈方向相反，从而导致人体吸收少量能量。这一效应的程度由线圈产生电磁场的强度、均一性、组织导电性及人体横截面积来决定。如果视人体为体积为V，长度为L的近似圆柱体，则Voc（E xL）0.5，E为TOBEC常数，V为全体电解质容积（TOBEC必须用仍TBW来校正）。目前已有2种设备上市，一种用于婴幼儿，另一种用于成人。因为婴儿身长短，故测量较稳定，即如果线圈长度约为其体长2倍时，可以将其放在线圈的中央进行测量。对于成人，整个身体被扫描并以64个部位的信息来分折（Fourier  Analysis）。基本的TOBEC法对于细胞内外的体液成分转移相对不敏感，因此仅用于监测TBW。然而，也有研究表明使用多频TOBEC加上Fourier  Analysis可提供每一个亚室的测量，不过还没有结果性研究报道。TOBEC还可用于监测女性妊娠期的人体成分和小儿肥胖问题。

五、中子激活分析（Neutron  Activation  Analysis，NAA）
NAA的发展则标志着分析人体成分模式的巨大转变，它使得在活体直接进行元素分析成为可能。其它技术如CT、MRI、DEXA、BIA及示踪剂稀释法均是测定有关组织的密度或体积的，而非生化组成。故基于NLA法的元素水平的mC模型已成为评价或校正其它技术的参考模型。目前，不仅人体所有主要的元素可以用NAA测量，而且某些微量元素和／或器官的测定也可进行，如镉、汞、铁、铝、碘、硼、锂、矽和肾、肝、脑、肺、心、甲状腺等。中子的数目、类型及发射源的物理设计，人体在中子场中的位置及探测系统都将决定NAA的整体精确性和准确性。不过，虽然NAA设备已经使用了30多年，但有关它和生化方法之间的直接比较还未见报道。临床研究所用的NAA设备已在很多医疗中心出现，最常测量的是全体钙（TBCa）（延迟NAA）和全体氮（TBN）（即时NAA）。TBN测量的放射线剂量相对较低（＜0.3mSv），而仍Ca则较高（＞0.3mSv）。当然，NAA技术的主要缺点在于大量射线在未产生或被探测到之前即被人体吸收，为克服这一缺点，脉冲式激活制式应运而生，即探测系统仅在最可能发生反应的时刻开关，从而大大减弱了整体的背景信号。一些研究者发现钥锗氧化物探头比传统的NaI探头灵敏得多，例如RBN的敏感性在使用新探头后可增加10倍，所以NAA的进一步改良如降低放射性等对于其在临床的广泛应用是十分必要的。

六、磁共振（Magnetic  Resonance  Imaning，MRI）
MRI顺利用人体内氢原子在磁场内排列方向的变化及其带来的能量变化来测量不同组织的氢密度。它用于测量人体成分的一个明显优势在于其监测VAT和SAT变化及每一个亚室与全腹部脂肪组织的质量比的潜力，这是除CT以外其它在体方法所不能的。因此适用于运动、无运动、药物等不同方法的减肥治疗的观察。最近，MRI用于病毒阳性的脂质营养不良样综合征的人类免疫缺陷病患者的病例被报道，这些患者的SAT明显减少，而VAT则有所沉积。因此，MRI测量SAT和VAT将作为监测肥胖疗效的良好技术之一。

七、X线法
1.双能X线吸收仪（Dual－Energy  X－Ray  Absorptiometry，DEXA）
DEXA是一种无创、准确、重复性好和低辐射的测定新方法，最初用于人体骨矿含量的测定，先已发展用于测定全身的FM和FFM。DEXA用于骨矿含量测定时，通常以松质骨含量较高、容易发生骨折的几个部位如腰能部、股骨、前臂作为常用测定部位。骨密度以单位面积的骨含量表示，即BMD＝BMC／BA（Bone  area）。全身DEXA扫描的结果能够提供肌肉、脂肪、体液容积的测定值，这类似于四级水平mC模型的测量，但它仍未能特异性测量蛋白的质量，因此，它所估计的瘦体组织的质量并不准确。据报道，DEXA测量所得的BMD、FM和FFM值与NAA测量所得有很好的一致性，但二者回归方程的斜率却有很大不同。究其原因，可能是不同个体软组织的fat－to－lean比存在差异，特别是肥胖病人。
2.三能X线技术（Tripple－Energy  X－ray  Techniques）
这是DEXA的拓展和延伸，但需要特殊的能源。理论上讲，如果三种能量分别来自于Compton散射、光电管和电子对产生区，那么不仅骨和脂肪，而且水及蛋白质的测量也是可能的。这一技术的可行性目前正在几个研究中心进行证实。
3.计算机体层扫描技术（Computed  Tomography，CT）
CT扫描的解所得剖图像与MBI图像相似，但它具有组织真实的密度信息。这一信息加上图像内象素的解剖位置就可以用来鉴别组织的类别，如脂肪、肌肉、皮肤、内脏或骨组织。以层距10cm扫描得到的全体和各器官的质量重建有非常好的精确性（＜1％）和准确性（＜1％）。这些重建后的CT或MRI图像可用于第四级水平的mC模型，而且CT图像还可进一步将全体脂肪组织分为VAT和SAT，将瘦体组织分为骨骼肌和内脏器官，将骨组织分为皮质骨和小梁骨，这些都是基于不同组织的密度差异。相比之下，CT比MRI扫描时间短，而且对测定全体和各个VA有更高的准确性。但是，CT的最大缺点在于其放射性，难以用于测定全体成分。近年来，许多报道显示定量CT（Quantitativ  CT，QCT）不仅能测定全骨单位的BMD，而且还可分别测定松质骨和皮质骨的BMD及不受骨质增生、硬化等影响。
pQCT（Peripheral  QCT）是使用专用CT测定末梢骨的QCT方法。与腰椎的QCT法相比，pQCT有装置精密、暴光剂量低、精确度优量等优点，它可得到全骨密度、松质骨密度、皮质骨密度、
BMD四项指标，以及皮质骨厚度、皮质骨面积、松质骨面积和断面的辅助力矩等几何学指标。综上，不难看出：QCT和pQCT将成为今后较有前途的测定BMD的方法之一。

八、超声技术
超声作为一种简单、便宜、无创的诊断方法，不仅可以直接用于脂肪厚度的测量，了解腹部脂肪的分布，对肥胖程度进行判断，并进一步将其分型（SAT和VAT），而且还可用于各种减肥治疗的疗效评价，特别是对糖尿病，高脂血症、脂肪肝、冠心病等疾病提示危险因素。
在肥胖的诊断中，由于脂肪指数（FI）与体重指数（BMI）密切相关（r＝0.87，p＜0.001），有人提出可用FI替代BMI，并通过回归公式：BMI＝15.715＋0.283FI判定了与BMI相应的诊断肥胖的指标FI≥29（BMI≥24）。这一指标可直接判断腹部脂肪堆积的程度。