Bioimpedanzanalyse – auf die Algorithmen kommt es an!
Grundlage der Bioimpedanzanalyse (vereinfacht auch als Körperanalyse bezeichnet) ist die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit von Geweben. Während das elektrolythaltige Körperwasser eine sehr gute Leitfähigkeit aufweist, verhält sich Fettgewebe wie ein Isolator. Diese Eigenschaften erlauben es, Gewebe mittels BIA zu differenzieren und die Körperzusammensetzung zu bestimmen.
Dazu wird über Hand- und Fußelektroden ein schwaches elektrisches Wechselstromfeld erzeugt und der Spannungsabfall gemessen. Aus der elektrischen Spannung und der Stromstärke lässt sich die Impedanz beziehungsweise der Wechselstromwiderstand berechnen, den der Körper dem Strom entgegensetzt. Die Impedanz setzt sich dabei aus zwei Teilwiderständen zusammen – dem ohmschen Widerstand (Resistanz R) der elektrolythaltigen Intra- und Extrazellulärflüssigkeit und dem durch die Zellmembranen entstehenden kapazitativen Widerstand (Reaktanz Xc).
Die physikalische Grundlage der Körperzusammensetzungsanalyse
Zellmembranen sind in der Lage, Ladungen zu speichern und können somit vereinfacht als Kondensatoren betrachtet werden. Ihre Kondensatoreigenschaft führt zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Dabei kommt es zu einer zeitlichen Differenz zwischen Stromstärke- und Spannungsmaximum – der Strom eilt der Spannung voraus. Diese Verschiebung wird in Grad angegeben und als Phasenwinkel (Was ist der Phasenwinkel?) bezeichnet. Moderne phasensensitive BIA-Geräte können den Phasenwinkel messen und zur Unterscheidung der Teilwiderstände nutzen.
Je mehr intakte Zellen der Körper besitzt, desto größer wird der Phasenwinkel.
Die Resistanz verhält sich umgekehrt proportional zum Anteil des Gesamtkörperwassers (engl. Total Body Water TBW) und kann somit zu dessen Bestimmung verwendet werden. Die Reaktanz hingegen ist ein Maß für die Körperzellmasse (engl. Body Cell Mass BCM).
Mithilfe geeigneter Algorithmen kann aus der Impedanz, ihrer Teilwiderstände und dem Phasenwinkel der genaue Anteil des Fett- und Muskelgewebes sowie des Gesamtkörperwassers kalkuliert werden.
Darüber hinaus liefert der Phasenwinkel weitere wichtige Informationen über den Gesundheitszustand des Organismus und hängt von der Anzahl, Größe und dem Funktionszustand der Körperzellen ab. Ein großer Phasenwinkel steht in Verbindung mit vielen intakten Körperzellen in gutem Ernährungszustand, wohingegen ein kleiner Winkel auf Funktionsstörungen und zelluläre Schäden hindeutet. Die Abnahme des Phasenwinkels beruht dabei auf einer Störung der Membranintegrität und der daraus resultierenden Flüssigkeitsverschiebungen von intra- nach extrazellulär.
Der Phasenwinkel beschreibt das Verhältnis zwischen Wasserwiderstand und Zellwiderstand.
Mit der Entwicklung der Multifrequenz-BIA bekam das Verfahren zudem die Möglichkeit nicht nur den Anteil des Gesamtkörperwassers zu bestimmen, sondern auch intrazelluläres von extrazellulärem Wasser zu unterscheiden.
In Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstromes verändert sich der Widerstand von biologischen Leitern. Niedrige Frequenzen im Bereich von 1 bis 5 kHz breiten sich vor allem im Extrazellulärraum aus, weil sie die Zellmembranen kaum überwinden können, und eignen sich somit besonders zur Ermittlung der Extrazellulärflüssigkeit (engl. Extracellular Water ECW). Bei der Verwendung höherer Frequenzen kann anhand des gemessenen Widerstands das Gesamtkörperwasser bestimmt und die intrazelluläre Flüssigkeit als Differenz zwischen Gesamtkörperwasser und extrazellulärem Wasser berechnet werden.
Mit unterschiedlichen Wechselstromfrequenzen kann zwischen intra- und extrazellulärem Wasser unterschieden werden.
Zu einem entscheidenden Vorteil der BIA gehört, dass der gesamte Messvorgang nur wenige Sekunden dauert, nicht-invasiv und sehr gut verträglich ist. Daher zeichnet sich die Methode durch eine hohe Patienten- und Anwenderfreundlichkeit aus.
Zurzeit kommt ein Großteil der BIA-Geräte im Fitnessbereich zum Einsatz, jedoch ist das Wissen über die exakte Körperzusammensetzung auch in der Medizin von hohem Nutzen. Für die medizinische Anwendung ist eine hohe Genauigkeit der Daten entscheidend, die unmittelbar von den mathematischen Gleichungen abhängt.
Das Herzstück eines BIA-Geräts: Die mathematischen Formeln.
Anhand von Vergleichsmessungen mit wissenschaftlichen Referenzmethoden werden die Algorithmen erzeugt und eine hohe Qualität der Messergebnisse sichergestellt. Für jedes Kompartiment ist dabei eine andere Methode die genaueste. Die jeweils genauste Methode wird dabei häufig als der „Goldstandard“ bezeichnet.
Für die Quantifizierung der Skelettmuskelmasse gilt die Magnetresonanztomografie als genauste Methode. Sie ermöglicht es zudem, das Fettgewebe weiter zu unterscheiden und auch den Anteil des viszeralen Fettgewebes zu ermitteln. Hierbei müssen pro Person einige hundert MRT-Bilder von Hand oder mit einer Software ausgewertet werden, um so die Muskelmasse bzw. die viszerale Fettmasse zu berechnen.
Für die Bestimmung der Fettmasse gilt das Vier-Kompartiment-Modell (4C-Modell) als Goldstandard. Dieses unterteilt den Körper in die vier Kompartimente Fett, Wasser, Protein und Mineralien. Die Analyse beruht auf der Kombination unterschiedlicher Methoden und erlaubt vor allem aufgrund der Einbeziehung des individuellen Hydratationszustandes die bestmögliche Differenzierung der Fettmasse.
Mittels Luftverdrängungsplethysmografie (engl. Air Displacement Plethysmography ADP) wird in einer abgeschlossenen Kammer das Volumen des Körpers gemessen. Unter Einbeziehung des Körpergewichts kann daraus die Dichte berechnet und von ihr auf den Fettanteil geschlossen werden. Mit den weiteren Messungen (Gesamtkörperwasser, Knochenmineralgehalt und Proteinanteil) wird dieser Wert genauer ausdifferenziert.
Das Gesamtkörperwasser wird mithilfe der Deuterium-Dilution bestimmt. Dabei wird Deuteriumoxid (D2O) oral verabreicht und seine Konzentration nach einer definierten Zeit zumeist in einer Blutprobe gemessen. Unter der Annahme, dass sich D2O über die Zeit gleichmäßig im Körperwasser verteilt, kann aus der gemessenen Konzentration und der verabreichten Dosis der Körperwasseranteil auf ein bis zwei Prozent genau berechnet werden.
Zur weiteren Differenzierung der Fettfreien Masse wird der Knochenmineralgehalt (engl. Bone Mineral Content BMC) anhand der Dual-Röntgen-Absorptiometrie (engl: Dual Energy X-ray Absorptiometry DXA) gemessen.
Gesamtkörperwasser und Knochenmineralgehalt dienen anschließend als Grundlage für die Berechnung des Proteinanteils.
Der Einsatz unterschiedlicher Methoden macht das Vier-Kompartiment-Modell jedoch zeitaufwendig und teuer, weshalb es vor allem für wissenschaftliche Fragestellungen verwendet wird.
Rückschlüsse über die Menge des extrazellulären Wassers erlaubt ähnlich der Deuterium-Dilution der Einsatz von Natriumbromid.
Berechnungsformel für die Fett- bzw. Fettfreie Masse nach Fuller et. al (1992). Da hier der individuelle Hydratationszustand mit in die Berechnung einfließen, gilt das Verfahren (4C-Modell) als das Genauste und wird oft als „Goldstandard“ bezeichnet.
Inzwischen finden BIA-Geräte auch in der Regelversorgung Anwendung und erlauben eine fundierte Einschätzung des Ernährungs-, Allgemein- und Hydratationszustandes. Durch die stetige Weiterentwicklung und Leistungssteigerung der BIA-Gleichungen wird die Methode mittlerweile auch den hohen Anforderungen der medizinischen Forschung gerecht und kann zur Untersuchung einer Vielzahl unterschiedlicher Fragestellungen eingesetzt werden.
seca mBCA – validiert für den medizinischen Einsatz.
Eigens für den medizinischen Einsatz entwickelt, wurde der seca mBCA intensiv mittels 4C-Modell und Ganzkörper-MRT validiert. Unter großem Aufwand wurde im Rahmen einer multizentrischen Studie die Körperzusammensetzung mehrere Hundert hundert Probanden mit dem 4C-Modell, Ganzkörper-MRTs und der NaBr-Dilution bestimmt. Aus den gewonnenen Daten wurden präzise BIA-Gleichungen entwickelt. Die Ergebnisse wurden bereits 2013 und 2017 im Journal of Clinical Nutrition veröffentlicht. Sie zeigten, dass die Messung der Körperzusammensetzung mittels seca mBCA bei gesunden Erwachsenen in ihrer Genauigkeit mit dem jeweiligen Goldstandard vergleichbar ist.
Im Vergleich zum 4-Kompartiment-Modell stimmten die Ergebnisse des seca mBCA für die Fettmasse zu 98 % überein. Bei der Bestimmung der Skelettmuskelmasse zeigte sich gegen Ganzkörper-MRT eine Übereinstimmung von 97 %. Auch die Messungen der Körperwasser-Kompartimente ergaben ähnliche Ergebnisse. Das Gesamtkörperwasser stimmte zu 97 % mit Ergebnissen der Deuterium-Dilution überein, das extrazelluläre Wasser zu 95 % mit der Natriumbromid-Dilution.
Der seca mBCA ist damit das einzige BIA-Gerät, das gegen mehrere Goldstandards (Ganzkörper-MRT, 4C-Modell, NaBr-Dilution) validiert wurde und dessen Ergebnisse zudem von medizinischen Fachzeitschriften begutachtet und veröffentlicht wurden (Journal of Clinical Nutrition 2013 und 2017).
In weiteren Studien mit jeweils 1.000 gesunden Probanden wurden außerdem Normwerte für verschiedene Ethnien ermittelt. Sie ermöglichen eine sichere Interpretationsgrundlage für den Einsatz des seca mBCA in der täglichen Routine.
Printout des seca mBCA mit Verlaufsmessung. Mit den Normalbereichen (grün) kann der Gesundheitszustand sofort eingeschätzt werden.
Exakte und verlässliche Ergebnisse machen aus dem seca mBCA ein innovatives Instrument, das auch den hohen Anforderungen der medizinischen Forschung gerecht wird. Im Gegensatz zu vielen gängigen Referenzmethoden zeichnet er sich durch eine einfache Anwendung sowie hohe Zeiteffizienz und Wirtschaftlichkeit aus. Sein Einsatzspektrum ist nicht nur auf die stationäre und ambulante Regelversorgung beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf eine Vielzahl anderer Anwendungsbereiche wie beispielsweise das Gewichtsmanagement oder Rehabilitationsmaßnahmen und macht ihn vielseitig und universell einsetzbar.
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