Vorstellung der Messmethoden
Methoden zur Erfassung der Körperzusammenetzung und des Hydratationszustandes
Die Bestimmung der Körperzusammensetzung ist essenziell zur Analyse des Gesundheitszustands. Sie liefert wichtige Informationen über das Verhältnis von Muskelmasse, Körperwasser und anderen Gewebekomponenten wie Fettmasse. Diese Daten helfen dabei, individuelle Ernährungs- und Trainingspläne zu entwickeln, gesundheitliche Risiken wie Übergewicht oder Muskelschwund frühzeitig zu erkennen und Fortschritte bei therapeutischen Maßnahmen zu überwachen.
Inhaltsverzeichnis
Methoden zur Erfassung der Körperzusammensetzung
Welche Methoden eignen sich für den medizinischen Einsatz zur Bestimmung der Körperzusammensetzung?
Die Körperzusammensetzung ist ein universeller Begriff, der in der Gesundheits- und Fitnessbranche verwendet wird. Ärzte verwenden die Analyse der Körperzusammensetzung hauptsächlich, um herauszufinden, wie viel Prozent des Körpergewichts Muskeln und wie viel Prozent Fett sind. Besonders wichtig ist dabei, dass die Messergebnisse im medizinischen Arbeitsalltag gut reproduzierbar sind.
Man unterscheidet zwischen direkten und indirekten Körperanalyse-Methoden. Die direkten Bestandteile eines Körpers lassen sich nur in einer Post-Mortem-Analyse korrekt ermitteln. Kriterium-Analysen betrachten gezielt eine Besonderheit des Körpers, wie die Knochendichte oder beschreiben die skelettale Muskelmasse. Indirekte Methoden zur Körperanalyse beziehen die Interpretation der erhobenen Messwerte auf andere Messverfahren, entweder auf direkte Analyse-Methoden oder auf Kriterium-Analysen, die ihrerseits auch von Referenzmethoden abhängen. Die erhaltenen Rohdaten (z. B. aus DXA-Untersuchung) werden in hinterlegte Formeln eingebracht, um auf diese Art quantitative Aussagen zu den Körperkompartimenten und Vergleiche mit anderen Geräten bzw. Analyseverfahren zu ermöglichen.
| Direkte Messmethode | Kriterium-Verfahren (z.Bsp. Körperdichte) |
Indirekte Methoden |
|---|---|---|
| Post-Mortem-Analyse | Densitometrie | Anthropometrie |
| Computer-Röntgentomographie (CT) | (klassische) Bioelektrische Impedanz-Analyse (BIA) | |
| Magnetresonanz-Tomographie (MRT) | Kalipper-Metode (Hautfaltenmessung) | |
| Dual-Röntgen-Absorptiometrie (DXA) |
Tab.1 Beispiele für die Bestimmung der Körperzusammensetzung. Indirekte Methoden basieren auf den Ergebnissen von direkten oder Kriterium-Messmethoden. Sie haben daher tendenziell größere Vorhersagefehler als direkte Methoden und werden von der Probenspezifität und den Krankheitszuständen beeinflusst [1].
BMI
Der Body-Mass–Index (BMI) ist eine Maßzahl zur Beurteilung des Körpergewichts. Er ergibt sich aus Körpergewicht in Kilogramm geteilt durch die Körpergröße in Meter zum Quadrat. Der BMI eignet sich sehr gut für Populationserhebungen und -vergleiche und erlaubt in diesem Zusammenhang Aussagen zum gesundheitlichen Risiko. Im Einzelfall ist er jedoch nur bedingt aussagekräftig, da er nichts über die Körperzusammensetzung der Person aussagt.
Eine genaue Beurteilung der Körperzusammensetzung ist von entscheidender Bedeutung, da Menschen mit gleicher Größe, gleichem Gewicht und folglich gleichem BMI unterschiedliche Prozentsätze an Körperfett und Muskeln haben. Ein Bodybuilder würde mit ziemlicher Sicherheit als fettleibig eingestuft werden, verwendete man den BMI (wie häufig noch fälschlicherweise) zur Beurteilung von Übergewicht. Der BMI ist sinnvoll, hat – wie beschrieben – jedoch nur eine begrenzte, klar definierte Aussagekraft
Magnetresonanztomographie
Als komplexes, hochauflösendes Verfahren kann die Magnetresonanztomographie sowohl das subkutane als auch das viszerale Fettvolumen mit guter Genauigkeit messen und erlaubt eine präzise Beurteilung der regionalen Skelettmuskelmasse. Für Routinezwecke ist das Verfahren jedoch noch zu aufwendig und zu teuer.
Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DEXA)
Die Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DEXA) ist ein gängiges Röntgenverfahren und kommt hauptsächlich zur Messung der Knochendichte in der Osteoporosediagnostik zum Einsatz. Bei der DEXA werden gleichzeitig zwei energetisch leicht unterschiedliche Röntgenquellen verwendet. Auf diese Weise können die verschiedenen Gewebearten erkannt und verglichen werden (Knochen-, Muskel- und Weichteilgewebe). Das Weichteilgewebe kann weiter in Fettmasse und Magermasse unterteilt werden. Die Methode analysiert die Zusammensetzung der einzelnen Körperregionen, ist sehr präzise, allerdings aufwendig und für Screening-Zwecke zu teuer.
Indirekte Methoden hängen zudem von den biologischen Eigenschaften und der individuell unterschiedlichen Verteilung der Gewebe ab.
Bioelektrische Impedanz Analyse (BIA)
Die Bioelektrische Impedanz Analyse (BIA) beruht auf der direkten Messung des komplexen körperlichen Widerstandes Z (= Impedanz), einem elektro-biologischen Widerstand, den der Körper einem Wechselstrom entgegensetzt. Unter Verwendung eines phasensensitiven Messgerätes lässt sich aus Z der wässrige Widerstand R und der kapazitive Zellmembran-Widerstand Xc getrennt darstellen (= Impedanz-Analyse). Die Widerstände werden physikalisch in Ohm [Ω] angegeben. Die Beziehung der beiden Widerstände R und Xc zueinander ergibt den Phasenwinkel PA. Zur Auswertung dieser Rohdaten werden hinterlegte Formeln und zusätzliche Parameter wie Gewicht und Alter verwendet – das macht die „klassische“ BIA zu einem indirekten Verfahren.
BIA-Systeme im Vergleich: welche Methode überzeugt?
Welche Methoden eignen sich für den medizinischen Einsatz zur Bestimmung der Körperzusammensetzung?
„Welches BIA-System bzw. welches Gerät ist das beste? Nach welchen Kriterien soll ich meine Kaufentscheidung treffen?“. Diesen und ähnlichen Fragen steht mittlerweile ein großes und vielfältiges Angebot gegenüber – von der Preisgestaltung bis zum Leistungsversprechen.
Körperanalysewaagen versus Bioimpedanzmessung im Liegen
Für die Standardmessung im Liegen besteht seit Jahren internationaler Konsens (z. B. ESPEN Guidelines [2]). Die 4-Oberflächenelektroden-Technik ermöglicht ein konstantes, tiefes und homogenes elektrisches Feld im Organismus, der in seinen elektrischen Leiteigenschaften sehr unterschiedlich reagiert.
BIA-Messung im Liegen
+ sehr hohe Mess-Präzision
+ homogene Flüssigkeitsverteilung im Liegen
+ sehr hohe Reproduzierbarkeit
+ leicht portables Messsystem
+ hygienische Anwendung durch einmal verwendbare Klebeelektroden
Für die BIA-Standgeräte hingegen gibt es weder Consensus-Empfehlungen noch Regeln zum Prozedere der Messdurchführung. Auch werden keine einheitlichen oder physikalisch validierten Elektroden angewendet. Die Elektroden sind metallische Plattenelektroden mit direktem Hautkontakt. (Erklärend sei angemerkt, dass Plattenelektroden völlig unterschiedliche Größen haben und einen völlig unterschiedlichen Eigenwiderstand aufweisen, der die Messergebnisse massiv beeinflusst und teilweise zu starken Verwerfungen führen kann. Dazu kommen noch Unsicherheitsfaktoren wie die Leitfähigkeit der Haut an den Fußsohlen oder den Handflächen, die Körperhaltung und der Einfluss der Kraft, mit der die Handelektroden umfasst werden).
Diese und andere vermeidbaren Grundprobleme von Seiten der Messdurchführung sind unter Verwendung von Klebeelektroden mit maximal niedriger Eigenimpedanz (entsprechend den Anforderungen an das Mess-System) und durch die standardisierte Anbringung an der Haut soweit wie möglich minimiert.
Standgeräte sind in der Akutmedizin, in der Geriatrie oder in der Reha nicht oder nur sehr eingeschränkt tauglich.
BIA-Messung im Stehen
– eingeschränkte Reproduzierbarkeit der Messung (Position der Füße,
Griffposition und Andruck an das Handelektrodenpaar)
– ungleichmäßige Verteilung des Körperwassers im Stehen
– nicht für liegende oder Patienten mit körperlichen Einschränkungen Patienten geeignet
– hoher Kostenaufwand (Anschaffung)
– nicht portabel
– aufwendige Hygiene: Reinigung des Gerätes nach jeder Anwendung
Die Wertigkeit von kommerziellen, nicht medizinisch genutzten Ganzkörper Bioimpedanz-Geräten in stehender Position mit 4-taktilen und 8-taktilen Elektroden wurde von Bosy-Westphal et al. im Vergleich zu DEXA und MRT untersucht. Systematische Fehler wurden besonders in der Berechnung der Fettmasse-% gefunden. Zusätzlich bestand ein Trend zur Unterschätzung der Skelettmuskelmasse, wenn die Muskelmasse hoch war [4].
Auch die Multifrequenz Methode zeigte hier große Abweichungen. Die Übereinstimmung der Fuß-zu-Fuß BIA und DEXA oder MRT für die Bewertung der Körperzusammensetzung war erwartungsgemäß niedrig.
Im Gegensatz dazu wurde die BIA-im-Liegen (BIA-LI) unter Verwendung einer geeigneten BIA-Software in großen epidemiologischen Studien (z. B. NHANES) angewendet, mit dem Ziel, Referenzwerte für die Körperkomposition in Bezug auf Alter, Geschlecht und BMI zu definieren. BIA-LI ist inzwischen in vielen umfassenden Reviews als valide Methode zur Bestimmung der Körperkomposition auch bei Krebs beschrieben und wird vor allem für den ambulanten Bereich empfohlen. Von vielen internationalen Experten für Nephrologie und Dialyse wird die BIA-LI zur Steuerung der Dialyse eingesetzt. (Umfassende Übersicht im Review unter [5]). Ebenso sind die Cutoff-Points in den aktuellen Internationalen Consensus-Definitionen für Sarkopenie oder Kachexie aus Daten mit BMI-LI abgeleitet, weil diese am häufigsten gegenüber DXA validiert wurden, und damit vergleichbar und anwendbar sind. Auch die großen internationalen Interventionsstudien wie die PROVIDE Study wurden mit BIA-LI durchgeführt [6]. Bereits 2004 wurde die BIA-LI von ESPEN auch für intensivmedizinische Zwecke als wichtiges und zuverlässiges Instrument etabliert [7]. Die Auswirkungen der Schwerkraft und die daraus resultierenden Flüssigkeitsverschiebungen in den intra- und extrazellulären Räumen machen sich bei der Messung des Phasenwinkels deutlich bemerkbar. In einer 2023 erschienenen Studie konnten die Autoren dieses Phänomen nachweisen. Die Teilnehmer wurden mit demselben Elektrodengerät sowohl im Liegen als auch im Stehen gemessen. Der Phasenwinkel war signifikant niedriger (P < 0,001), wenn er im Stehen gemessen wurde.
Literatur
[2] Kyle
UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD, Deurenberg P, Elia M, Gómez JM, Heitmann BL,
Kent-Smith L, Melchior JC, Pirlich M, Scharfetter H, Schols AM, Pichard C;
Composition of the ESPEN Working Group. Bioelectrical impedance analysis–part
I: review of principles and methods. Clin Nutr. 2004 Oct;23(5):1226-43. doi:
10.1016/j. clnu.2004.06.004. PMID: 15380917
[3] Henry
C. Lukaski: Comparison of Proximal and Distal Placements of Electrodes to
Assess Human, Body Composition by Bioelectrical Impedance. Human Body
Composition, Edited by K.J. Ellis and J.D. Eastman, Plenum Press, New York,
1993; sowie RJL, 1982
[4]
Bosy-Westphal A, Later W, Hitze B, Sato T, Kossel E, Glüer C, -C, Heller M,
Müller M, J: Accuracy of Bioelectrical Impedance Consumer Devices for
Measurement of Body Composition in Comparison to Whole Body Magnetic Resonance
Imaging and Dual X-Ray Absorptiometry. Obes Facts 2008; 1:319-324. doi:
10.1159/000176061
[5] Park
JH, Jo YI, Lee JH. Clinical usefulness of bioimpedance analysis for assessing
volume status in patients receiving maintenance dialysis. Korean J
Intern Med. 2018;33(4):660-669. doi:10.3904/ kjim.2018.197
[6] Bauer, Jürgen M et al. “Effects of a vitamin D and leucine-enriched
whey protein nutritional supplement on measures of sarcopenia in older adults,
the PROVIDE study: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial.”
Journal of the American Medical Directors Association vol. 16,9 (2015): 740-7
doi: 10.1016/j.jamda. 2015. 05. 021
[7] Kyle et
al. 2004a; 2004b “BIA is an important clinical tool for evaluating the
metabolic status of ICU patients. It is inexpensive and noninvasive, and it
provides useful information concerning altered body composition and membrane
potential at the tissue level measured by phase angle, as well as fluid
imbalance”. Clin Nutr 2004
Dec;23(6):1430-53. doi: 10.1016/j.clnu.2004.09.012.
[8] Chabin
X, Taghli-Lamallem O, Mulliez, A et al. Bioimpedance analysis is safe in patients with
implanted cardiac electronic devices. Clin Nutr 2018 Mar 2. pii:
S0261-5614(18)30108-0. doi: 10.1016/j. clnu.2018.02.029. [9] Piccoli A, Rossi
B, Pillon L, Buccuiante G A new method for monitoring body fluid variation by
bioimpedance analysis: The RXc graph. Kidney International, VoL 46 (1994), pp.
534—539 [10] Talluri A. Maggia G The Intern Jour of Artif. Organs 1995- Vol 18 n. 11
pp 687/692
[9] Ward LC, Brantlov S
Bioimpedance basics and phase angle fundamentals, 2023 Reviews in Endocrine and
Metabolic Disorders doi.org/10.1007/s11154-022-09780-3
BIA-Liegend-Geräte im Vergleich: welches Gerät überzeugt?
Mono (SF)-, Multifrequenz (MF) oder Spectroscopie (BIS)?
Wissenschaftliche Studien belegen, dass ein konstanter Wechselstrom von 50kHz optimale Ergebnisse beim Durchfließen eines lebenden Gewebes liefert. Nach wie vor haben daher die monofrequenten Analysatoren (SF-BIA) einen sehr hohen Stellenwert. Die Stromstärke beträgt bei neueren BIA-Analysegeräten i. d. R. 400 [µA] und erlaubt auch die Anwendung bei Schrittmacher-Patienten, wie in mehreren Studien belegt wurde.
Die Multifrequenz BIA (MF-BIA) basiert auf dem Befund, dass die extrazelluläre Flüssigkeit (ECW) besser und von der Gesamtkörperflüssigkeit TBW differenziert bestimmt werden kann. Die Werte sind somit genauer als bei der SF-BIA, basieren jedoch ebenfalls auf Prädiktionsgleichungen und sind störanfälliger bei Hydratationsänderungen. Wesentliche Gründe, warum weltweit immer noch die MF-BIA bevorzugt eingesetzt wird.
Noch differenziertere Aussagen ermöglicht die Bioimpedanz-Spektroskopie (BIS). Sie benutzt ein ganzes Spektrum von Frequenzen zur Körperanalyse und stützt sich im Gegensatz zur SF-BIA nicht auf statistisch abgeleitete, populationsspezifische Prädiktions-Gleichungen. Dabei werden die frequenzabhängigen Messergebnisse mathematisch extrapoliert. Über eine mathematische Mischungstheorie (Hanai Mixture Theory) werden die Widerstands-Parameter mit anthropometrischen Messungen abgeglichen, um daraus die Flüssigkeits-Volumina getrennt abzuschätzen.
BIS hat den potenziellen Vorteil, dass nicht nur das Ganzkörperwasser TBW bestimmt wird, um daraus die Unterteilungen zu errechnen, sondern über das Spektrum verschiedener Frequenzen direkt zwischen ECW und ICW unterschieden werden kann. (Zumindest wurde dies in vitro Untersuchungen festgestellt).
Dieses Vorgehen erlaubt eine bessere Abschätzung der stoffwechselaktiven Körperzellmasse (BCM). Doch auch für die BIS gibt es nicht nur einen einzigen, sondern mehrere Berechnungsalgorithmen mit unterschiedlich großer Abweichung in der Exaktheit der Vorhersage. Eine Standardisierung oder internationale Empfehlungen zur BIS-Methode existieren nicht.
Die vermeintlich höhere Wertigkeit der BIS gegenüber SF und MF ist bislang nicht eindeutig belegt. Insbesondere ergibt sich für die klinische Praxis kein wirklich relevanter Vorteil der BIS gegenüber der monofrequenten Impedanz Analyse MF-BIA. Dies gilt in vergleichbarer Weise für die Multifrequenz-BIA (MF-BIA), deren Vorteil ebenfalls nicht belegt ist (Studie Piccoli et al.).
In der umfangreichen Literatur der BIA-Analyse werden weltweit BIA-Geräte mit einer konstanten Strominjektion von 50kHz genutzt – diese Tatsache kann indirekt als Beleg für die 50kHz-Monofrequnez Technik als Standardmessverfahren gelten.
Fazit
- Die SF-BIA 50 kHz bleibt die Standard-Methode der Körperanalyse zur Definition von Hydratation und Nutrition in der täglichen Praxis.
- Für die BIA-Liegend mit 4-Punkt-Hand-zu-Fuß Messung besteht seit Jahren internationaler Konsens. Sie ist nach wie vor Methode der Wahl, insbesondere wenn es sich um von der Norm abweichende Probanden handelt (dehydriert, überwässert, krank, älter, sarkopenisch, usw.).
- Klebeelektroden mit maximal niedriger Eigenimpedanz (entsprechend den Anforderungen an das Mess-System) sollten gewählt und standardisiert auf der Haut angebracht werden.
Literatur
1- Francisco R et al. (u.a. Lukaski H u. Heymsfiled St B) The Predictive Role of Raw Bioelectrical Impedance Parameters in Water Compartments and Fluid Distribution Assessed by Dilution Techniques in Athletes Int. J. Environ. Res. Public Health 2020, 17, 759; doi:10.3390
2- Piccoli A, Pastori G, Guizzo M, Rebeschini M, Naso A, Cascone C. Equivalence of information from single versus multiple frequency bioimpedance vector analysis in hemodialysis. Kidney Int. 2005 Jan;67(1):301-13. doi: 10.1111/j.1523-1755.2005.00083.x. PMID: 15610256.
3- Piccoli A, Pastori G, Codognotto M, Paoli A. Equivalence of information from single frequency v. bioimpedance spectroscopy in bodybuilders. Br J Nutr. 2007 Jan;97(1):182-92. doi: 10.1017/S0007114507243077. PMID: 17217575.
Die richtigen Hautelektroden – höchste Priorität für eine präzise Messung
Durch je zwei Hautelektroden an der Hand und am Fuß wird ein elektrisches Wechselstromfeld erzeugt.
Da von der bioelektrischen Messung die gesamte Körperzusammensetzungsanalyse abhängt, empfehlen wir die Verwendung von CE-zertifizierten Qualitätselektroden speziell für die Bioimpedanz-Messung.
Aufbau der BIA-Mess-Elektroden
- Hydrogel (leitender Kleber, patentiert)
- Silber (Leitermaterial)
- Polyester (Trägermaterial)
Die korrekte Lagerung der Elektroden ist für die Reproduzierbarkeit der Messungen von erheblicher Bedeutung. Eine Mehrfachverwendung der Einweg-Elektroden sollte unbedingt vermieden werden.
Die Elektroden von BIA Systems GmbH erfüllen diese Grundbedingungen und gewährleisten eine genaue Messung der Resistanz- und Reaktanzwerte; Voraussetzung zur Bestimmung des bedeutenden Phasenwinkels.