Bioelektrische Impedanzanalyse

Die bioelektrische Impedanzanalyse ( BIA ) ist eine Methode zur Bestimmung der Körperzusammensetzung , insbesondere des Körperfettanteils und der Muskelmasse . Dabei fließt ein schwacher elektrischer Strom durch den Körper, und die Spannung wird gemessen, um die Impedanz ( Widerstand und Reaktanz ) des Körpers zu berechnen. Der größte Teil des Körperwassers ist in der Muskulatur gespeichert. Daher ist bei muskulöseren Personen die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sie auch einen höheren Körperwasseranteil und somit eine niedrigere Impedanz aufweisen. Seit der Einführung der ersten kommerziell erhältlichen Geräte Mitte der 1980er-Jahre hat sich die Methode aufgrund ihrer einfachen Anwendung und der Portabilität der Geräte großer Beliebtheit erfreut. Sie ist im Verbrauchermarkt als einfaches Instrument zur Bestimmung des Körperfettanteils bekannt. Die BIA ^{[ 1 ]} ermittelt die elektrische Impedanz , also den Widerstand gegen den Stromfluss durch das Körpergewebe. Daraus lässt sich das Gesamtkörperwasser (TBW) bestimmen, welches wiederum zur Schätzung der fettfreien Körpermasse und, durch Differenzbildung zum Körpergewicht, des Körperfettanteils verwendet werden kann .

Viele frühe Studien zeigten, dass die Bioimpedanzanalyse (BIA) recht variabel war und daher von vielen nicht als präzises Maß für die Körperzusammensetzung angesehen wurde. Dennoch gilt heute das Vier-Kompartiment-Modell (4C) ( DXA und MRT sind akzeptable Alternativen) – und nicht die BIA – als Referenzmethode in der Körperzusammensetzungsanalyse. ^{[ 2 ]}

Obwohl die Instrumente einfach zu bedienen sind, sollte der vom Hersteller beschriebenen Anwendungsmethode besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Einfache Geräte zur Schätzung des Körperfettanteils, häufig mittels Bioimpedanzanalyse (BIA), sind für Verbraucher als Körperfettmessgeräte erhältlich . Diese Geräte gelten im Allgemeinen als weniger genau als klinisch oder in der Ernährungs- und Medizinpraxis eingesetzte. Sie unterschätzen den Körperfettanteil im Durchschnitt um etwa 5 kg (±7 kg LoA), obwohl sie eine lineare Korrelation mit MRT-basierten Messungen von 0,75 bzw. 0,81 für Frauen und Männer aufweisen. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Dehydratation ist ein bekannter Faktor, der BIA-Messungen beeinflusst, da sie zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands des Körpers führt . Daher wurde festgestellt, dass sie eine Unterschätzung der fettfreien Masse um 5 kg und somit eine Überschätzung des Körperfetts verursacht. ^{[ 4 ]}

Die Körperfettwerte sind niedriger, wenn die Messung kurz nach einer Mahlzeit erfolgt, was zu einer Schwankung des Körperfettanteils zwischen den höchsten und niedrigsten Messwerten im Laufe des Tages von bis zu 4,2 % führt. ^{[ 5 ]}

Mäßige körperliche Betätigung vor einer BIA-Messung führt aufgrund der reduzierten Impedanz zu einer Überschätzung der fettfreien Masse und einer Unterschätzung des Körperfettanteils . ^{[ 6 ]} Beispielsweise führt mäßige körperliche Betätigung über 90–120 Minuten vor einer BIA-Messung zu einer Überschätzung der fettfreien Masse um fast 12 kg, d. h. der Körperfettanteil wird deutlich unterschätzt. ^{[ 7 ]} Daher wird empfohlen, nach mäßiger oder hochintensiver körperlicher Betätigung mehrere Stunden lang keine BIA-Messung durchzuführen. ^{[ 8 ]}

Die Bioimpedanzanalyse (BIA) gilt als hinreichend genau für die Messung von Gruppen, von begrenzter Genauigkeit für die Verfolgung der Körperzusammensetzung einer Einzelperson über einen bestimmten Zeitraum, aber nicht als ausreichend genau für die Aufzeichnung einzelner Messungen an Einzelpersonen. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Für Verbraucher geeignete Geräte zur BIA-Messung sind für Einzelmessungen nicht ausreichend genau und eignen sich besser zur Messung von Veränderungen der Körperzusammensetzung über einen längeren Zeitraum. ^{[ 11 ]} Die Zwei-Elektroden-Messung, z. B. Fuß-zu-Fuß- oder Hand-zu-Hand-Messung, ist im Allgemeinen weniger genau als Vier-Elektroden-Methoden (tetrapolare Technik, bei der der Stromkreis durch ein Paar distaler Elektroden gebildet wird, deren Impedanz als Spannungsabfall zwischen einem separaten Paar proximaler Elektroden gemessen wird). Es können mehrere Elektroden, typischerweise acht, an Händen und Füßen angebracht werden, um die Impedanz der einzelnen Körpersegmente – Arme, Beine und Rumpf – zu messen. Der Vorteil dieser Geräte mit mehreren Elektroden besteht darin, dass Körpersegmente gleichzeitig gemessen werden können, ohne dass die Elektroden neu positioniert werden müssen. Die Ergebnisse einiger getesteter Impedanzmessgeräte zeigten geringe Übereinstimmungsgrenzen und in einigen Fällen systematische Abweichungen bei der Schätzung des viszeralen Fettanteils , jedoch eine gute Genauigkeit bei der Vorhersage des Ruheenergieverbrauchs (REE) im Vergleich zu genaueren Ganzkörper -Magnetresonanztomographie- (MRT) und Dual-Röntgen-Absorptiometrie-Verfahren (DXA). ^{[ 12 ]}

Die Impedanz ist frequenzabhängig. Bei niedrigen Frequenzen fließt der elektrische Strom bevorzugt durch das extrazelluläre Wasser (EZW), während er bei hohen Frequenzen Zellmembranen durchdringen und somit durch das gesamte Körperwasser (TBW) fließen kann. In Bioimpedanzspektroskopie-Geräten (BIS) lässt sich der Widerstand bei Null- und Hochfrequenz bestimmen und sollte – zumindest theoretisch – optimale Prädiktoren für EZW und TBW und damit für die fettfreie Körpermasse liefern. In der Praxis ist die Genauigkeitsverbesserung jedoch gering. Die Verwendung mehrerer Frequenzen oder von BIS in bestimmten BIA-Geräten korreliert stark mit der DXA-Messung des Körperfettanteils. Die Korrelation mit DXA kann bei der Messung der fettfreien Masse bis zu 99 % betragen, sofern strenge Richtlinien eingehalten werden. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Es ist wichtig zu beachten, dass die Korrelation kein Maß für die Genauigkeit oder die Übereinstimmung der Methoden ist. BIA-Methoden weisen typischerweise eine Übereinstimmung von ±10 % mit Referenzmethoden (z. B. DXA, MRT oder 4C-Modell) auf, die zwei Standardabweichungen (2 SD) beträgt.

Die elektrischen Eigenschaften von Geweben wurden bereits 1872 beschrieben. Diese Eigenschaften wurden darüber hinaus für einen breiteren Frequenzbereich und für ein größeres Spektrum an Geweben beschrieben, einschließlich solcher, die beschädigt waren oder sich nach dem Tod veränderten.

1962 führte Thomasset die ersten Studien durch, in denen er die elektrische Impedanz als Indikator für das Gesamtkörperwasser (TBW) nutzte. Hierfür verwendete er zwei subkutan eingeführte Nadeln. ^{[ 15 ]}

1969 kam Hoffer zu dem Schluss, dass sich das Gesamtkörperwasser durch eine Ganzkörper-Impedanzmessung vorhersagen lässt. Die Gleichung (das Quadrat der Körpergröße dividiert durch die Impedanzmessungen der rechten Körperhälfte) zeigte einen Korrelationskoeffizienten von 0,92 mit dem Gesamtkörperwasser. Diese Gleichung, so Hoffer, ist als Impedanzindex bekannt, der in der Bioimpedanzanalyse (BIA) verwendet wird. ^{[ 16 ]}

1983 bestätigte Nyober die Anwendbarkeit der elektrischen Impedanzanalyse des gesamten Körpers zur Beurteilung der Körperzusammensetzung. ^{[ 17 ]}

In den 1970er Jahren wurden die Grundlagen der Bioimpedanzanalyse (BIA) geschaffen, darunter auch die Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der Impedanz und dem Körperwassergehalt. Anschließend kamen verschiedene BIA-Analysegeräte mit Einzelfrequenz auf den Markt, beispielsweise das erste kommerzielle Impedanzmessgerät von RJL Systems.

In den 1980er Jahren entdeckten Lukaski, Segal und andere Forscher, dass die Verwendung einer einzigen Frequenz (50 kHz) in der Bioelektrischen Impedanzanalyse (BIA) den menschlichen Körper fälschlicherweise als Zylinder annahm, was zahlreiche technische Einschränkungen der BIA zur Folge hatte. Die Verwendung einer einzigen Frequenz war für Bevölkerungsgruppen, die nicht dem Standardkörpertyp entsprachen, ungenau. Um die Genauigkeit der BIA zu verbessern, entwickelten Forscher empirische Gleichungen, die auf empirischen Daten (Geschlecht, Alter, ethnische Zugehörigkeit) basierten, um die Körperzusammensetzung eines Nutzers vorherzusagen.

Lukaski veröffentlichte 1986 empirische Gleichungen unter Verwendung des Impedanzindex, des Körpergewichts und der Reaktanz. ^{[ 4 ]}

1986 veröffentlichten Kushner und Scholler empirische Gleichungen unter Verwendung des Impedanzindex, des Körpergewichts und des Geschlechts. ^{[ 18 ]}

Empirische Gleichungen waren jedoch nur zur Vorhersage der durchschnittlichen Körperzusammensetzung der Bevölkerung geeignet und für medizinische Zwecke bei erkrankten Bevölkerungsgruppen ungenau. ^{[ 8 ]} 1992 schlug Kushner vor, die Genauigkeit von BIA-Geräten durch die Verwendung mehrerer Frequenzen zu erhöhen, um den menschlichen Körper anhand von fünf verschiedenen Zylindern (rechter Arm, linker Arm, Rumpf, rechtes Bein, linkes Bein) anstatt nur einem zu messen. Die Verwendung mehrerer Frequenzen würde auch die Unterscheidung zwischen intrazellulärem und extrazellulärem Wasser ermöglichen. ^{[ 19 ]}

In den 1990er-Jahren umfasste der Markt mehrere Multifrequenzanalysatoren und einige BIS-Geräte. Die Anwendung der Bioimpedanzanalyse (BIA) als patientennahe Methode hat zugenommen, da die Geräte tragbar und sicher sind, die Durchführung einfach und nicht-invasiv ist und die Ergebnisse reproduzierbar und schnell zu gewinnen sind. In jüngster Zeit wurde die segmentale BIA entwickelt, um Diskrepanzen zwischen dem Widerstand (R) und der Körpermasse des Rumpfes zu beheben.

Im Jahr 1996 wurde das achtpolige Stand-on-BIA-Gerät InBody entwickelt, das keine empirischen Gleichungen verwendet und sich als „genaue Schätzungen von TBW und ECW bei Frauen ohne die Notwendigkeit populationsspezifischer Formeln“ erwiesen hat. ^{[ 20 ]}

Im Jahr 2018 brachte AURA Devices den Fitness-Tracker AURA Band mit integrierter BIA auf den Markt. ^{[ 21 ]}

Im Jahr 2020 wurde BIA für Apple Watch- Nutzer mit dem Zubehör-Armband AURA mit integrierten Sensoren verfügbar. ^{[ 22 ]}

Anfang der 2020er Jahre enthielten Smartwatches wie die Samsung Galaxy Watch 4 eingebaute BIAs.

Die Impedanz von Zellgewebe lässt sich als Widerstand (extrazellulärer Pfad) parallel zu einem Widerstand und einem Kondensator in Reihe (intrazellulärer Pfad – der Widerstand entspricht der intrazellulären Flüssigkeit, der Kondensator der Zellmembran ) modellieren. Dies führt zu einer Änderung der Impedanz in Abhängigkeit von der Messfrequenz. Die Ganzkörperimpedanz wird üblicherweise vom Handgelenk bis zum gleichseitigen Knöchel gemessen, wobei entweder zwei (selten) oder vier (überwiegend) Elektroden zum Einsatz kommen. In der Zwei-Elektroden-Konfiguration (bipolar) fließt ein kleiner Strom im Bereich von 1–10 μA zwischen zwei Elektroden, und die Spannung wird zwischen diesen gemessen. Bei der tetrapolaren Anordnung hingegen wird der Widerstand zwischen zwei separaten, proximal angeordneten Elektroden gemessen. Die tetrapolare Anordnung ist vorzuziehen, da die Messung nicht durch die Impedanz der Haut-Elektroden-Grenzfläche beeinflusst wird. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Bei der bioelektrischen Impedanzanalyse (BIA) am Menschen lässt sich der Phasenwinkel anhand der Widerstands- und Reaktanzänderungen im Gewebe bestimmen, die durch Wechselstrom verursacht werden und eine Phasenverschiebung zur Folge haben . Somit existiert für alle Messfrequenzen ein Phasenwinkel, wobei üblicherweise bei der BIA der Phasenwinkel bei einer Messfrequenz von 50 kHz betrachtet wird. Der gemessene Phasenwinkel hängt daher von verschiedenen biologischen Faktoren ab. Er ist bei Männern größer als bei Frauen und nimmt mit zunehmendem Alter ab. ^{[ 25 ]}

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• Bioimpedanzanalyse – Elektronische Medien im Überblick