DXA – eine geeignete Validierungsmethode für BIA-Geräte?

Die Bioimpedanzanalyse nutzt ein schwaches Wechselstromfeld, um den elektrischen Widerstand des Körpers zu messen. Aus seinen Teilwiderständen berechnet sie anschließend den Anteil der Fett- und Skelettmuskelmasse sowie des Körperwassers. Die einzelnen Kompartimente werden somit nicht direkt gemessen, sondern indirekt berechnet. Ausschlaggebend für die Genauigkeit der BIA-Ergebnisse sind die mathematischen Gleichungen, die als Berechnungsgrundlage für eben diese Körperkompartimente dienen. Sie sind das Kernelement eines jeden BIA-Gerätes und werden in aufwendigen Verfahren entwickelt und anhand von Referenzmethoden validiert.

Die auf dem Markt verfügbaren BIA-Geräte unterscheiden sich in der Art der Validierung und damit auch in den verwendeten Algorithmen. Daraus können sich zum Teil erhebliche Unterschiede in der Messgenauigkeit zweier Geräte ergeben. Trotz der zentralen Rolle der Validierung gibt es derzeit kein standardisiertes Prozedere. Ebenso herrscht unter den Herstellern Uneinigkeit über die Auswahl der Referenzmethoden. 

Häufig findet sich jedoch der Verweis auf eine Testung gegen den „Goldstandard“. Dieser Begriff findet in der Werbesprache und Medizin breite Anwendung und bezeichnet ein unübertroffenes Verfahren, das als Standard oder Referenz betrachtet wird. Zugleich ist seine Verwendung nicht frei von Kritik. Häufig besteht in der Fachwelt kein Konsens über einen „Goldstandard“, sodass abhängig von der Quelle verschiedene Verfahren den Titel für sich beanspruchen.

Die Körperzusammensetzung kann auf unterschiedliche Weise untersucht werden. Keines der aktuell verfügbaren Verfahren wird dabei als alleiniger Standard betrachtet. Vielmehr gelten bestimmte Methoden als Referenz für einzelne Körperkompartimente. Die Auswahl der Referenzmethoden entscheidet über die Messgenauigkeit eines BIA-Gerätes und stellt zugleich ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal dar. Viele Hersteller nutzen zur Kalibrierung ihrer Geräte zum Beispiel die Dual Energy X-ray Absorptiometry, kurz DXA. Sie dient ihnen als Referenzmethode für die Bestimmung der fettfreien Masse (engl. fat-free mass FFM) und Skelettmuskelmasse (engl. skeletal muscle mass SMM).

Die DXA ist ein gängiges Röntgenverfahren zur Messung der Knochendichte und stellt den Standard in der Osteopenie- und Osteoporosediagnostik dar. Abgesehen davon wird sie auch zur Analyse der Körperzusammensetzung eingesetzt. Dazu werden Röntgenstrahlen zweier Energieniveaus verwendet, die bei der Passage durch den Körper, in Abhängigkeit von ihrer Energie und der Gewebedichte, unterschiedlich stark abgeschwächt werden. Anhand der Strahlenabschwächung bei hoher und niedriger Energie kann das System zwischen mineralhaltigem Knochen- und Weichteilgewebe unterscheiden und sie in Form zweidimensionaler Bildpunkte (Pixel) darstellen. Das Weichteilgewebe kann anschließend je nach Pixeldichte weiter in Fettmasse (engl. fat mass FM) und Magermasse (engl. lean soft tissue LST) unterteilt werden.

Die Berechnung der Muskel- und Fettmasse sowie des Körperwassers setzt jedoch eine Reihe von Annahmen voraus. Dazu zählen eine gleichmäßige Weichteildicke, konstante Gewebedichte und feste Wasser- und Proteinfraktion der Magermasse.
In der Realität sind menschliche Gewebe heterogen und unterliegen dynamischen Veränderungen, wodurch Verletzungen der Annahmen entstehen und die Messgenauigkeit der DXA negativ beeinflusst werden kann. Dies trifft besonders auf Menschen mit Adipositas und ältere Menschen zu. Darüber hinaus können der natürliche Alterungsprozess sowie das Maß körperlicher Aktivität und Erkrankungen dazu führen, dass sich der Hydratationszustand von Menschen deutlich unterscheidet.

Als genauestes Verfahren zur Erfassung der FM und FFM gilt das 4-Kompartiment-Modell (engl. 4-compartment (4C) model). Es basiert auf unterschiedlichen Messtechniken und unterteilt den Körper in die vier Komponenten Fett, Wasser, Knochenmineralien und Eiweiß. Durch die Kombination unterschiedlicher Verfahren setzt das 4C-Modell weniger Annahmen voraus als die DXA und bildet individuelle Unterschiede besser ab.

Vielfach konnten systematische Unterschiede zwischen den Messergebnissen der DXA und des 4C-Modells nachgewiesen werden. Demnach tendiert die DXA dazu die Fettmasse zu unter- sowie die fettfreie Masse zu überschätzen (Schoeller, 2005, Tylavsky, 2003). Ferner zeigt sich, dass die DXA vor allem bei Übergewicht und Adipositas zu Fehleinschätzungen neigt, wodurch ihre Aussagekraft für Einzelpersonen limitiert sein kann (LaForgia, 2012). 

Die Skelettmuskelmasse ist ein weiterer Messparameter mit hoher diagnostischer und wissenschaftlicher Relevanz. Sie kann mittels DXA näherungsweise aus der LST berechnet werden. Die Ganzkörper-Magnetresonanztomografie gilt jedoch als überlegen und Methode der Wahl. Im Gegensatz zur DXA liefert sie in beliebigen Ebenen hochauflösende Schnittbilder, die eine präzise Bestimmung der regionalen und Gesamtskelettmuskelmasse erlauben.

Vergleicht man die Messergebnisse der DXA und MRT zeigen sich in Hinblick auf die SMM signifikante Unterschiede.  So konnte gezeigt werden, dass die DXA die SMM systematisch überschätzt (Bosy-Westphal, 2017).  Zu den möglichen Fehlerquellen gehört wie auch bei der FM die Annahme einer konstanten Gewebehydratation und -zusammensetzung. Neben dem Hydratationszustand können sich auch die Proportionen der LST verändern. Im Rahmen des Alterungsprozesses nimmt die SMM ab, während der Anteil des Bindegewebes steigt. Dadurch wird der Verlust an SMM maskiert und führt zu Fehleinschätzungen.

 Der Vergleich mit anderen Referenzmethoden zeigt, dass die DXA systematischen Fehlern unterliegt, die insbesondere bei Abweichungen von einer normalen Körperzusammensetzung auftreten. Aus diesem Grund ist ihr Einsatz als Referenzmethode für die Validierung medizinischer BIA-Geräte fraglich.

Unterliegen die Validierungsmethode selbst systematischen Fehlern, wird die Genauigkeit des zu kalibrierenden BIA-Gerätes beeinträchtigt und schränkt die Aussagekraft der Messergebnisse ein.

Der seca mBCA ist ein eigens für den medizinischen Bereich entwickeltes BIA-Gerät, das einen langwierigen und aufwendigen Validierungsprozess durchlaufen hat. Als Referenzmethoden wurden die jeweils genausten Verfahren, wie das 4C-Modell, die MRT sowie die Deuterium- und Natriumbromiddilution ausgewählt. In wissenschaftlichen Studien konnte ein hohes Maß an Übereinstimmung zwischen dem seca mBCA und den einzelnen Methoden gezeigt werden. Zudem wurden in einer groß angelegten Studie mit mehr als 1.000 gesunden Probanden unterschiedlichen Alters, Geschlechts und Ethnie Referenzwerte definiert, die eine sichere Interpretation der mBCA-Ausgabeparameter ermöglicht.

Aufgrund der umfangreichen Validierung wird der seca mBCA nicht nur den Anforderungen der medizinischen Forschung gerecht, sondern ist auch ein präzises Messwerkzeug für den regelmäßigen Einsatz im ambulanten und klinischen Bereich.