Способ определения минутного обмена человека
METHOD FOR DETERMINING A PERSON'S MINUTE EXCHANGE

Изобретение относится к медицине, к определению выделяемого человеком тепла методом непрямой калориметрии, характеризующего текущий обмен, и может быть использовано в клинической физиологии, физической культуре и спорте, эндокринологии и других областях медицины.
Существует 2 подхода для определения тепла, выделяемого организмом за определенный временной интервал: прямая и непрямая калориметрия.
Прямая калориметрия основывается на непосредственном измерении тепла, выделяемого организмом. Для этого нужен биокалориметр, т.е герметизированная и хорошо теплоизолированная от окружающей среды камера, в которую подается кислород, из которой поглощаются избытки углекислого газа и воды, и в котором помещенный туда организм является единственным источником тепла.
Непрямая калориметрия, классическим примером которой является метод Дугласа-Холдейна [3], взятый за прототип, базируется на измерении объемов поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа за определенное время. В течение нескольких минут (с фиксацией времени) собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемого материала (мешок Дугласа). Измеряют объем выдохнутого воздуха, вычисляют минутный объем дыхания (МОД). С помощью газоанализатора определяют содержание кислорода и углекислого газа в выдохнутом воздухе, и на основе разницы с содержанием этих газов в атмосферном воздухе вычисляют объемы поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, приходящие на 100 мл воздуха (т.е. фактически %). На основе этих величин вычисляют дыхательный коэффициент (ДК) - отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода. Определяют (по табл.1) значение калорического эквивалента кислорода (КЭК), обозначающего количество выделяемого тепла при поглощении 1 л кислорода.
Исходя из значений МОД и процента, соответствующего объему поглощаемого кислорода, вычисляют минутный объем поглощения кислорода (МОПК). Энергозатраты организма за минуту или минутный обмен (МО) рассчитывают как произведение МОПК на КЭК:
Однако, классический метод непрямой калориметрии может считаться объективным лишь для определения основного обмена (00), когда энергозатраты организма идут на поддержание жизнедеятельности в состоянии полного покоя. Только в этом случае и при отсутствии функциональных изменений газообмен в легких может соответствовать тканевому газообмену, а респираторный ДК метаболическому.
2
2
2
2
2
Наилучшим образом это иллюстрируется характером изменений ДК после серьезной физической нагрузки. После завершения физической нагрузки респираторный ДК не только повышается, но и может становиться больше 1 (1 - значение ДК при окислении углеводов). Во время работы в мышцах накапливается молочная кислота, на окисление которой не хватало кислорода (кислородный долг). Молочная кислота поступает в кровь и вытесняет СО из гидрокарбонатов, присоединяя основания. Благодаря этому количество выделенного СО становится больше количества СО, образовавшегося в данный момент в тканях. Обратная картина наблюдается в дальнейшем, когда молочная кислота постепенно исчезает из крови. Одна ее часть окисляется, другая ресинтезируется в гликоген, третья выделяется с потом и мочой. По мере уменьшения количества молочной кислоты освобождаются основания. Основания связывают СО и образуют гидрокарбонаты. Поэтому респираторный ДК падает вследствие задержки в крови СО, поступающей из тканей и может становиться ниже 0,7 (0,7 - значение ДК при окислении жиров). Но метаболический ДК не может быть меньше 0,7 и больше 1. Такие очевидные отклонения между респираторным и метаболическим ДК могут возникать не только после физической нагрузки: известны примеры значительного увеличения ДК больше 1 связанные с гипервентиляцией легких (до 1,4), насильственным кормлением у животных (до 1,59), или, наоборот, падения ДК до 0,6 в периоды голодания и при диабете [4]. Если кислород используется в любой реакции биологического окисления, а возможности его хранения в организме невелики, то способности организма к накоплению углекислого газа весьма велики. Т.е. полной уверенности в том, что объем выдыхаемого углекислого газа точно соответствует его объему, выработанному за это время в результате окислительных процессов в организме, быть не может даже и для условий относительного покоя.
В тех случаях [4], когда у исследователей нет уверенности в соответствии респираторного ДК метаболическому ДК, единственным выходом в рамках классического подхода является использование среднего значения КЭК (4,863 ккал/л, при ДК = 0,85). Варьирование значений КЭК составляет около 8% (5,047 / 4,686 = 1,077). При использовании среднего значения КЭК его погрешность не превышает 4% (4,863 / 4,686 ≈1,038; и 5,047 / 4,863 ≈ 1,038). Но это увеличивает общую погрешность оценки текущего обмена. Кроме того, само отклонение респираторного ДК от метаболического, которое варьирует в значительных пределах, может быть важным показателем функционального состояния организма. Решение этих вопросов возможно только при надежном способе определения метаболического ДК.
Такое определение или аппроксимация текущего метаболического ДК возможна на основе учета функциональных взаимосвязей обмена с кровообращением и дыханием, приведенных к минутному интервалу времени.
Чему должен быть прямо и обратно пропорционален текущий показатель МО? В покое МО приближается к должному минутному основному обмену (ДМОО), т.е. должному основному обмену, приведенному к минутному интервалу времени. При этом минутный объем крови (МОК) соответствует должному объему циркулирующей крови (ДОЦК), т.е. отношение МОК / ДОЦК ≈ 1 [1]. Отношение вентиляции к перфузии, которое можно выразить через отношение минутного объема дыхания к минутному объему крови (МОД / МОК) также приближается к 1 (в покое оно находится в диапазоне от 0,8 до 1 [5]). При нагрузке значения обоих этих отношений увеличиваются за счет увеличения МОК и еще большего увеличения МОД, но, т.к. МОК участвует в обоих отношениях в одном случае сверху, а в другом - снизу и тем самым взаимно сокращается, увеличение МО при нагрузке будет пропорционально увеличению отношения МОД / ДОЦК. Помимо этого, значение МО, как в покое, так и при нагрузке, зависит (обратно пропорционально!) от ДК. Значения ДК варьируют в диапазоне от 0,7 до 1. Но уменьшение значения ДК (при ДК < 1) должны приводить не к уменьшению, а, наоборот, к увеличению МО. В белках и, тем более, в жирах энергии больше, чем в углеводах. Уменьшение значения КЭК при снижении ДК свидетельствуют только о том, что для извлечения этой энергии нужно затратить большие объемы кислорода. В итоге получаем:
v
где ДОЦК и ДМОО определяются исходя из антропометрических данных человека [1, 2]. При вычислениях используют индекс объема (И), показывающий во сколько раз объем тела человека отличается от объема тела, взятого за эталон [1, 2]. За эталон взяты тела женщины и мужчины у которых в покое ДОЦК = 3999,6 мл - это женщина с ростом (Р) 150 см и с массой тела (МТ) 49 кг и мужчина с Р = 160 см и с МТ = 59 кг. Т.е.:
v
для женщин И=Р⋅МТ/(150⋅49)=Р⋅МТ/7350,
v
а для мужчин И=Р⋅МТ/(160⋅59)=Р⋅МТ/9440.
v
ДОЦК определяется [1] по формуле: ДОЦК=И⋅3999,6.
Аппроксимация должного основного обмена (ДОО) человека традиционно осуществляется для суточного интервала времени [2]:
1) для женщин -
в
эв
v
1/3
если возраст от 11 лет до 21 года, то ДОО=ДОО⋅И,
эв
где ДОО (в ккал) - ДОО девушки с Р=150 см с МТ=49 кг в этом возрасте:
21
v
1/3
ДОО=ДОО-4,64⋅(В-21)=1300⋅И-4,64⋅(В-21).
2) для мужчин -
в
эв
v
1/2
если возраст от 11 лет до 21 года, то ДОО=ДОО⋅И,
эв
где ДОО(в ккал) - ДОО юноши с Р=160 см и с МТ=59 кг в этом возрасте:
21
v
1/2
ДОО=ДОО-6,75⋅(В-21)=1537⋅И-6,75⋅(В-21).
Вычисление ДМОО осуществляется приведением значения ДОО к минутному интервалу времени: ДМОО=ДОО/24/60=ДОО/1440.
Уравнения (1) и (2) дают одинаковые значения МО только при определенном значении ДК из диапазона от 0,7 до 1. Именно это значение и является наилучшей аппроксимацией метаболического ДК, позволяющее, в свою очередь, сделать наиболее точную аппроксимацию текущего МО.
Если после определения МОД, МОПК и ДК по методу непрямой калориметрии МО, рассчитанное по формуле (1) оказывается больше МО, рассчитанного по формуле (2), реальный метаболический ДК имеет более низкое значение. Наоборот, если МО, рассчитанное по формуле (1) оказывается меньше МО, рассчитанного по формуле (2), реальный метаболический ДК имеет более высокое значение. Следуя этому правилу, путем последовательных пошаговых сдвигов значения ДК, находится его реальное значение, обеспечивающее сходимость оценки МО по обеим формулам. Так же находится и реальное значение метаболического ДК в случаях, когда респираторное значение ДК заведомо выходит за рамки реальных значений для метаболического ДК.
Целью предлагаемого способа определения минутного обмена человека является повышение достоверности результатов его определения за счет использования при вычислениях физически и физиологически обоснованных формул.
Изобретение осуществляют следующим образом.
Исходя из пола, возраста, роста (Р) и массы тела (МТ) человека
v
рассчитывают индекс объема тела (И), должный объем циркулирующей крови (ДОЦК), должный основной обмен для суточного интервала времени (ДОО), должный минутный основной обмен (ДМОО) по формулам:
v
для женщин И=Р⋅МТ/73 50,
v
для мужчин И=Р⋅МТ/9440.
v
ДОЦК (в мл)=И⋅3999,6
По способу [2] или по таблицам Гарриса-Бенедикта определяют ДОО и ДМОО=ДОО/1440.
мд
мд
2
В течение фиксирующегося времени собирают выдыхаемый воздух в воздухонепроницаемый мешок Дугласа, объемом от 10 до 40 л. Определяют минутный объем дыхания (МОД) исходя из объема мешка Дугласа (V) и времени (t, в секундах), за которое он был наполнен: МОД=V⋅60/t. 10 или 100 мл выдохнутого воздуха подвергают газоанализу, определяют объем O в 100 мл выдохнутого воздуха, по разнице между содержанием кислорода в атмосферном воздухе (~ 21 об. %) и в выдыхаемом воздухе определяют объем кислорода, поглощающийся при прохождении через легкие 100 мл воздуха или процент поглощаемого кислорода (ППК) рассчитывают минутный объем поглощения кислорода (МОПК):
МОПК=МОД⋅ППК/100.
Минутный обмен (МО) вычисляется по двум формулам:
МО(1)=МОПК⋅КЭК
МО(2)=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК,
где КЭК - калорический эквивалент кислорода (в ккал), а ДК - дыхательный коэффициент. Соответствующие друг другу значения ДК и КЭК подбираются из табл. 1.
Если МО(1) оказывается больше МО(2), то реальный метаболический ДК имеет более низкое значение. Наоборот, если МО(1) оказывается меньше МО(2), реальный метаболический ДК имеет более высокое значение. Следуя этому правилу, путем последовательных пошаговых сдвигов значений ДК и КЭК, находится значение МО, совпадающее по обеим формулам.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
v
Для проведения измерений роста (Р) и веса (МТ) испытуемых используют любые сертифицированные ростомеры и весы. На основе антропометрических показателей вычисляют индекс объема тела (И), должный объем циркулирующей крови (ДОЦК), должный основной обмен для суточного интервала времени (ДОО), должный минутный основной обмен (ДМОО) по следующим формулам:
v
для женщин И=Р⋅МТ/7350,
v
для мужчин И=Р⋅МТ/9440.
v
ДОЦК (в мл)=И⋅3999,6
ДОО для женщин -
в
эв
v
1/3
если возраст (В) от 11 лет до 21 года, то ДОО=ДОО⋅И,
эв
где ДОО (в ккал) - ДОО девушки с Р=150 см с МТ=49 кг в этом возрасте:
21
v
1/3
ДОО=ДОО-4,64⋅(В-21)=1300⋅И-4,64⋅(В-21).
ДОО для мужчин -
в
эв
v
1/2
если возраст от 11 лет до 21 года, то ДОО=ДОО⋅И,
эв
где ДОО (в ккал) - ДОО юноши с Р=160 см и с МТ=59 кг в этом возрасте:
21
v
1/2
ДОО=ДОО-6,75⋅(В-21)=1537⋅И-6,75⋅(В-21).
Возможно и определение ДОО по таблицам Гарриса-Бенедикта.
Вычисление ДМОО осуществляется приведением значения ДОО к минутному интервалу времени: ДМОО=ДОО/1440.
мд
мд
Для собирания, выдыхаемого при дыхании воздуха в течение нескольких минут, используется мешок Дугласа из воздухонепроницаемого материала, объемом от 10 до 40 л. Для измерения объема мешка используются калиброванные спирометрические насосы. Для контроля времени, за которое происходит наполнение мешка выдыхаемым воздухом, используется секундомер. Определение минутного объема дыхания (МОД) осуществляется исходя из объема мешка Дугласа (V) и времени (t, в секундах), за которое он был наполнен: МОД=V⋅60/t.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Для определения объемных процентов CO и O используется любой газоанализатор, позволяющий производить отбор 10 или 100 мл выдохнутого воздуха, с последовательным поглощением из этого объема сначала CO, затем O, с последующим определением оставшихся объемов и, соответственно, поглощенных объемов. Т.к. в атмосферном воздухе содержание CO составляет всего 0,03 об. %; то весь CO в выдыхаемом воздухе можно рассматривать как выделенный организмом, а объем поглощенного O, приходящийся на 100 мл воздуха, прошедшего через легкие, получают как разность между его содержанием в атмосферном воздухе (~ 21 об. % или ~21 мл в 100 мл воздуха) и его содержанием в 100 мл выдохнутого воздуха. Респираторный дыхательный коэффициент рассчитывают как отношение объемов выделенного CO и поглощенного O, приходящихся на 100 мл воздуха, прошедшего через легкие. Калорический эквивалент кислорода (КЭК), соответствующий ДК, находится по табл. 1.
Минутный объем поглощения кислорода (МОПК) определяется исходя из значений МОД и процента поглощаемого кислорода (ППК):
МОПК=МОД⋅ППК/100
Минутный обмен (МО) вычисляется по формулам (1) и (2):
МО(1)=МОПК⋅КЭК
МО(2)=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК
Если МО(1) оказывается больше МО(2), то реальный метаболический ДК имеет более низкое значение. Наоборот, если МО(1) оказывается меньше МО(2), реальный метаболический ДК имеет более высокое значение. Следуя этому правилу, путем последовательных пошаговых сдвигов значений ДК и КЭК, находится реальное значение МО, при котором обеспечивается сходимость его оценки по обеим формулам.
Реализация способа поясняется нижеприведенными примерами.
Пример 1.
Испытуемая: 19 лет, Р=167,5 см, МТ=46 кг:
v
И=Р⋅МТ/7350=167,5⋅46/7350=1,048
v
ДОЦК=И⋅3999,6=1,048⋅3999,6=4193 мл=4,193 л
э19
v
1/3
1/3
ДОО=ДОО⋅И=1309⋅1,048=1329,6 ккал
ДМОО=1329,6/1440=0,9233 ккал
2
2
В покое: МОД=4,322 л; в выдыхаемом воздухе 4,5% CO и 15,5% O.
ДК=4,5/(21-15,5)=4,5/5,5-0,818≈0,82
МОПК=МОД⋅5,5/100=4,322⋅5,5/100=0,2377 л
Из табл. 1 при ДК=0,82 КЭК=4.825
МО(1)=МОПК⋅КЭК=0,2377⋅4,825=1,147ккал
МО(2)=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК=0,9233⋅4,322/4,193/0,82=1,1606 ккал
Так как МО(1)<МО(2), то реальный метаболический ДК имеет более высокое значение. Пошагово изменяя ДК и определяя КЭК из табл. 1 находят совпадение значений МО(1)=МО(2)
Вывод: реальный минутный обмен МО=1,1494 ккал; т.е. на 0,2% выше значения, определяемого по респираторному ДК (0,82) которое сдвинуто относительно метаболического (0,828).
Пример 2.
Та же испытуемая, что и в примере 1, но сразу после физической нагрузки:
Испытуемая: 19 лет, Р=167,5 см, МТ=46 кг:
v
И=Р⋅МТ/7350=167,5⋅46/7350=1,048
v
ДОЦК=И⋅3999,6=1,048⋅3999,6=4193 мл=4,193 л
э19
v
1/3
ДОО=ДОО⋅И=1309⋅1,0481/3=1329,6 ккал
ДМОО=1329,6/1440=0,9233 ккал
2
2
МОД=7,307 л; в выдыхаемом воздухе 5% CO и 15,8% O.
ДК=5/(21-15,8)=5/5,2=0,9615≈0,96
МОПК=МОД⋅5,2/100=7,307⋅5,2/100=0,38 л
МО по формуле (2): МО=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК, т.е.
МО(2)=7,307⋅0,9233/4,193/ДК=1,609/ДК
Вывод: реальный минутный обмен МО=1,8558 ккал; т.е. на 2,3% ниже значения, определяемого по респираторному ДК (0,96), которое сдвинуто относительно метаболического ДК (0,867).
Пример 3.
Испытуемый: 19 лет, Р=168,5 см, МТ=65 кг:
v
И=Р⋅МТ/9440=168,5⋅65/9440=1,16
v
ДОЦК=И⋅3999,6=1,16⋅3999,6 мл=4640 мл=4,640 л
э19
v
1/2
1/2
ДОО=ДОО⋅И=1586⋅1,048=1708 ккал
ДМОО=1780/1440=1,1863 ккал
2
2
В покое: МОД=5,802 л; в выдыхаемом воздухе 4,2% CO и 15,2% O.
ДК=4,2/(21-15,2)=4,2/5,8=0,724≈0,72
МОПК=МОД⋅5,8/100=5,802⋅5,8/100=0,3365 л
МО по формуле (2): МО=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК, т.е.
МО(2)=5,802⋅1,1863/4,64/ДК=1,483/ДК
Вывод: реальный минутный обмен МО=1,655 ккал; т.е. на 4,6% выше значения, определяемого по респираторному ДК (0,72) которое сдвинуто относительно метаболического (0,896).
Пример 4.
Тот же испытуемый, что и в примере 3:
Испытуемый: 19 лет, Р=168,5 см, МТ=65 кг:
v
И=Р⋅МТ/9440=168,5⋅65/9440=1,16
v
ДОЦК=И⋅3999,6=1,16⋅3999,6 мл=4640 мл=4,640 л
э19
v
1/2
1/2
ДОО=ДОО⋅И=1586⋅1,048=1708 ккал
ДМОО=1780 / 1440=1,1863 ккал
После физической нагрузки:
2
2
МОД=14,351 л; в выдыхаемом воздухе 6,2% CO и 15,8% O.
ДК=6,2/(21-15,8)=6,2/5,2=1,192
МОПК=МОД⋅5,2/100=14,351⋅5,2/100=0,746 л
МО по формуле (2): МО=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК, т.е.
МО(2)=14,351⋅1,1863/4,64/ДК=3,669 /ДК
Уравнения (1) и (2) дают одинаковые значения МО только при определенном значении ДК из диапазона от 0,7 до 1.
Вывод: реальный минутный обмен МО=3,746 ккал, а значение респираторного ДК (1,192) сдвинуто относительно реального значения метаболического ДК (0,9795).
Пример 5.
Испытуемая: 19 лет, Р=155 см, МТ=64 кг:
v
И=Р⋅МТ/7350=155⋅64/7350=1,3497
v
ДОЦК=И⋅3999,6=1,3497⋅3999,6=5398 мл=5,398 л
э19
v
1/3
1/3
ДОО=ДОО⋅И=1309⋅1,3497=1446,45 ккал
ДМОО=1446,45/1440=1,00448 ккал
2
2
В покое: МОД=2,240 л; в выдыхаемом воздухе 4,2% CO и 15,6% O.
ДК=4,2/(21-15,6)=4,2/5,4=0,778≈0,78
МОПК=МОД⋅5,4/100=2,24⋅5,5/100=0,121 л
МО по формуле (2): МО=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК, т.е.
МО(2)=2,24⋅1,00448/5,398/ДК=0,417/ДК
Вывод: реальный минутный обмен МО=0,5705 ккал; т.е. на 1,3% ниже значения, определяемого по респираторному ДК (0,78), которое сдвинуто относительно метаболического ДК (0,7309).
Пример 6.
Испытуемый: 19 лет, Р=190 см, МТ=102 кг:
v
И=Р⋅МТ/9440=190⋅102/9440=2,053
v
ДОЦК=И⋅3999,6=2,053⋅3999,6 мл=8211 мл=8,211 л
э19
v
1/2
1/2
ДОО=ДОО⋅И=1586⋅2,053=2272 ккал
ДМОО=2272/1440=1,578 ккал
2
2
В покое: МОД=14,4 л; в выдыхаемом воздухе 4% СО и 17% O.
ДК=4/(21-17)=4/4=1
МОПК=МОД⋅4/100=14,4⋅4/100=0,576 л
МО по формуле (2): МО=ДМОО⋅МОД/ДОЦК/ДК, т.е.
МО(2)=14,4⋅1,578/8,211/ДК=2,767/ДК
Вывод: реальный минутный обмен МО=2,879 ккал; т.е. на 0,97% ниже значения, определяемого по респираторному ДК (1) которое сдвинуто относительно метаболического ДК (0,961).
Таким образом, предлагаемый способ определения минутного обмена человека позволяет повысить достоверность результатов его определения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пестряев В.А. Способ определения гипо-нормо-гиперволемии сосудистого русла человека в покое. Патент на изобретение №2535914, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 17.10.2014.
2. Пестряев В.А. Способ определения должного основного обмена человека. Патент на изобретение №2545778, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 27.02.2015.
3. Руководство к практическим занятиям по нормальной физиологии. // Под ред. С.М. Будылиной, В.М. Смирнова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 336 с., (с. 158-161)
4. Ульмер Х.-Ф. Энергетический баланс. // Физиология человека. Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - Т. 3. - с. 653-664., (с. 660).
5. Тевс Г. Легочное дыхание. // Физиология человека. Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - Т. 2. - с. 567-603., (с. 588).