Bioelektrische Impedanzanalyse (BIA)

Die Körperzusammensetzung des Menschen unterliegt im Laufe des Lebens individuell unterschiedlich ausgeprägten Veränderungen. So nehmen mit zunehmendem Alter der Körperwassergehalt und die Muskelmasse kontinuierlich ab, während es gleichzeitig zu einer Zunahme und Umverteilung der Körperfettspeicher kommt. Neben diesen altersbedingten physiologischen Prozessen können aber auch bestimmte Situationen, z. B. eine chronische Mangelernährung, akute oder chronisch entzündliche Erkrankungen oder auch eine längere körperliche Inaktivität zu erheblichen Veränderungen der Körperzusammensetzung führen. So hat eine länger andauernde Mangelernährung typischerweise eine progressive Reduktion der Körper- und Muskelmasse zur Folge, die mit einem Verlust an Alltagsfunktionalität einhergeht und längerfristig das Morbiditäts- und Mortalitätsrisiko erhöhen kann [1, 2]. Beim Krankheitsbild Adipositas zeigt sich dagegen ein übermäßig hoher Körperfettanteil und zumeist auch ein ungünstiges Fettverteilungsmuster mit verstärkter Fettdepotbildung im Bauchraum, was mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, entzündlichen Erkrankungen und Krebserkrankungen assoziiert ist [3].
Kenntnisse über die Zusammensetzung des Körpers geben demnach Hinweise auf den Ernährungs- und Gesundheitszustand und sind für die klinische Praxis von zentraler Bedeutung, um Therapieverläufe differenziert beurteilen zu können. Die Computertomografie (CT) und Magnetresonanztomografie (MRT) gelten als Goldstandard zur Bestimmung der Körperzusammensetzung [4, 5]. Diese Methoden zeichnen sich durch eine sehr hohe Messgenauigkeit aus, allerdings ist ein Routine- Einsatz durch hohe Kosten, den Bedarf an speziell ausgebildetem Personal, Zeitaufwand für die Durchführung der Messung sowie vorliegende Strahlenbelastungen (CT) limitiert.
Die Bioelektrische Impedanzanaylse (BIA) ist ein alternatives Verfahren, mit der sich die Körperzusammensetzung vergleichsweise kostengünstig, schnell und unkompliziert bestimmen lässt. Dadurch können auch größere Personenkollektive mit relativ geringem Aufwand untersucht werden. Da bei der BIA keine Strahlenbelastung auftritt und portable Geräte zur Verfügung stehen, kann die Methode zudem sicher für Verlaufsmessungen in verschiedenen Settings (z. B. auch bei bettlägerigen PatientInnen) eingesetzt werden. Allerdings unterliegt die Methode einigen Limitationen, denn die Messgenauigkeit kann durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst werden. Der vorliegende Beitrag soll einen Einblick in die theoretischen Grundlagen der Messmethodik geben sowie Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der verschiedenen BIA-Systeme im Kontext zu anderen Verfahren zur Bestimmung der Körperzusammensetzung aufzeigen.

Rein biochemisch betrachtet besteht der menschliche Körper zu 99 % aus den 6 chemischen Elementen Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Kalzium und Phosphor. Nach funktionellen Gesichtspunkten kann die Körpermasse im Wesentlichen in die Komponenten Wasser, Muskeln, Fett und Knochen unterteilt werden [6]. Die quantitative Verteilung dieser einzelnen Komponenten hängt v. a. von genetischen Faktoren, dem Ernährungs- und Bewegungsverhalten sowie vom Gesundheitszustand eines Individuums ab. Um einfache, besser veranschaulichte Darstellungen der Körperzusammensetzung zu erhalten, wurden unterschiedliche Modelle entwickelt, die diese Hauptkomponenten in bestimmte Kompartimente zusammenfassen. Die Unterteilung in verschiedene Körperkompartimente stellt letztendlich auch die Grundlage für die daraus abgeleiteten Abschätzungen der Körperzusammensetzung dar (• Abbildung 1).
Im • Kasten „Körperkompartiment-Modelle” werden die einzelnen Modelle vorgestellt und die gängigsten darauf basierenden Messmethoden kurz beschrieben.
Die BIA stellt im Kontext aufwändigerer Messmethoden eine Methode dar, mit der die Körperzusammensetzung vergleichsweise kostengünstig, nicht-invasiv und mit relativ geringem Aufwand abgeschätzt werden kann. Durch die Entwicklung von phasensensitiven Messgeräten, die eine Differenzierung in FM, BCM und ECM erlauben, lassen sich neuere BIA-Systeme ebenfalls den Methoden des Drei-Kompartiment-Modells zuordnen. Die einfache und die PatientInnen nicht belastende Durchführung der Messung sowie flexible Einsatzmöglichkeiten durch portable Geräte haben dazu geführt, dass die BIA mittlerweile zu den am häufigsten genutzten Methoden zur Analyse der Körperzusammensetzung zählt.

Die BIA ist eine elektrische Widerstandsmessung am menschlichen Körper, die auf den unterschiedlichen Leitfähigkeiten der verschiedenen Körpergewebe basiert. Hierfür wird ein schwacher, nicht wahrnehmbarer mono- oder multifrequenter (je nach Gerätetypus) Wechselstrom durch den Körper geleitet. Am weitesten verbreitet sind Geräte, die mit einer einzelnen Frequenz von 50 kHz und einer Stromstärke von 800 μA messen. Bei niedriger Frequenz (< 5 kHz) durchfließt der Strom hauptsächlich das ECW, während die Zellmembranen, die aufgrund ihrer Doppellipidschicht als gute Isolatoren dienen, nicht durchdrungen werden. Mit zunehmender Frequenzhöhe kann der Strom aber auch die Zellmembranen überwinden, sodass dieser dann sowohl durch das ECW als auch das ICW fließt [28, 29]. Da Fettgewebe einen sehr geringen Gehalt an Flüssigkeit und Elektrolyten aufweist, hat es einen relativ hohen elektrischen Widerstand (Impedanz Z). Die FFM ist hingegen ein flüssigkeitsreiches Gewebe und leitet den Strom daher gut.

Die Impedanz ist ein Maß für den Widerstand, den biologisches Gewebe einem applizierten Wechselstrom entgegensetzt.

Im folgenden • Kasten werden die wichtigsten physikalischen und mathematischen Grundlagen der BIA erläutert.

Körperwasser (TBW)

Der Wassergehalt des menschlichen Körpers (total body water) beträgt, abhängig vom Alter, der Körperzusammensetzung und dem Geschlecht, etwa 50–75 % des Körpergewichts. Bei Erwachsenen liegt der Wert im Mittel bei 60 % und nimmt mit zunehmendem Alter ab. Frauen weisen aufgrund des höheren Körperfettanteils einen ca. 10 % niedrigeren Wassergehalt als Männer auf, während die Werte bei muskulösen SportlerInnen durch den größeren Anteil an FFM im Bereich von 70–80 % liegen können.
Ungefähr zwei Drittel des TBW befinden sich in intrazellulären Kompartimenten (ICW). Der restliche Teil befindet sich in extrazellulären Kompartimenten (ECW), wie dem Blutplasma, Interstitium und transzellulärem Raum (z. B. Liquor, Drüsensekrete, Synovialflüssigkeit) [34].
Entscheidend für das Konstanthalten des TBW ist eine adäquate, an den Bedarf angepasste Flüssigkeitsaufnahme. Normalerweise stehen Aufnahme, Bildung und Ausscheidung von Wasser in einem dynamischen Gleichgewicht. Bei unzureichender Flüssigkeitsaufnahme und/oder gesteigertem Flüssigkeitsverlust (z. B. durch starke Schweißverluste, Durchfälle oder Erkrankungen mit gesteigerter renaler Wasserausscheidung) kommt es zu einer Abnahme des TBW (Dehydratation). Eine chronisch verminderte Flüssigkeitsausscheidung über die Nieren (z. B. bei Herzinsuffizienz, Leberzirrhose oder Nierenerkrankungen) führt hingegen zu einem Wasserüberschuss (Hyperhydratation) mit vermehrter Wassereinlagerung (Ödeme, Aszites) im Körper [34].
Das Körperwasser lässt sich bei gesunden, normal-hydrierten Personen mit der BIA valide und sehr gut reproduzierbar erfassen. Akute Schwankungen oder pathologische Veränderungen des Wasserhaushalts können allerdings die Abschätzung des TBW und der weiteren Parameter deutlich beeinflussen, was zu den zentralen Kritikpunkten der BIA-Methode zählt [29].

Fettfreie Masse (FFM), Körperzellmasse (BCM) und Skelettmuskelmasse (SMM)

Zur FFM zählen jegliche Körpergewebe mit Ausnahme des Körperfetts. Die BCM, die aus metabolisch aktiven Geweben und dem ICW besteht, ist die proteinreiche Teilkomponente der FFM und daher besonders von katabolen Zuständen betroffen. Dieser Parameter ist daher von zentraler Bedeutung für die Beurteilung des Ernährungszustands. Ein starker Verlust an BCM ist generell mit einer schlechteren klinischen Prognose assoziiert [29]. Die Ausprägung der BCM ist ansonsten abhängig von genetischen Faktoren, dem Alter und Trainingszustand eines Individuums. Bei gesunden, gut ernährten Erwachsenen liegt die BCM in einem Bereich von 50–60 % der FFM. Trainierte SportlerInnen können aber auch eine BCM aufweisen, die deutlich über 60 % der FFM beträgt. Bei körperlicher Inaktivität und mit zunehmendem Alter nimmt die BCM ab [35].
Den größten Anteil an der BCM haben die Zellen der Skelettmuskulatur (SMM). Neuere BIA-Verfahren schätzen die SMM auch direkt ab. Die SMM ist nicht nur aufgrund ihrer Stütz- und Bewegungsfunktion, sondern auch als größtes Stoffwechselorgan des Körpers von zentraler Bedeutung für zahlreiche physiologische Prozesse. Ab einem Alter von ca. 30 Jahren reduziert sich die SMM um ca. 3–8 % pro Dekade. Dieser Prozess beschleunigt sich nochmals deutlich nach dem 60. Lebensjahr. Diese altersbedingte Abnahme der SMM (Sarkopenie) ist einer der Hauptgründe für den Verlust an Muskelkraft und -funktionalität und erhöht das Risiko für orthopädische Beschwerden, Stürze und Frakturen im Alter [36]. Darüber hinaus ist eine geringe SMM in allen Altersgruppen auch mit metabolischen Beeinträchtigungen, z. B. einer reduzierten Insulinsensitivität und einem erhöhten Risiko für systemische Entzündungen, assoziiert [37].
MRT-basierte Populationsstudien haben gezeigt, dass die SMM-Normwerte (abhängig vom Lebensalter) bei ca. 27–34 % (Frauen) bzw. 34–42 % (Männer) des Körpergewichts liegen [38]. Die Quantifizierung der SMM ist daher ein wichtiges Diagnosekriterium für Sarkopenie und Mangelernährung.
Ein weiterer Parameter zur Beurteilung des Ernährungszustandes ist das Verhältnis von ECM zu BCM. Bei Gesunden ist die BCM grundsätzlich deutlich größer als die ECM, sodass der Index-Wert kleiner als 1 ist. Bei einer Mangelernährung nimmt die ECM typischerweise zu und die BCM ab, auch wenn das Körpergewicht zunächst noch unverändert bleiben kann.

Ein Anstieg des ECM/BCM-Index weist auf eine Verschlechterung des Ernährungszustands hin [29, 35].

Die meisten BIA-Formeln setzen voraus, dass der Wasseranteil der FFM konstant ist (73 %). Bei abnormaler Hydrierung der FFM kann es daher zu einer ungenauen Bestimmung der FFM und deren Teilkomponenten kommen. Eine Dehydratation hat einen Anstieg von Z zur Folge, was zu einer Unterschätzung der FFM und Überschätzung der FM führt. Umgekehrt verhält es sich bei einer Hyperhydratation (Überschätzung der FFM und Unterschätzung der FM) [29, 39].

Fettmasse (FM)

Die FM ist ein wesentlicher Bestandteil des menschlichen Körpers und erfüllt eine Vielzahl an lebensnotwendigen Aufgaben. Hierzu zählen Funktionen als Energielieferant/-speicher, Isolator, Wärmeerzeuger, mechanisches Schutzpolster und Stoffwechselorgan, das für die Sekretion unterschiedlicher Hormone und anderer Botenstoffe verantwortlich ist.
Der Anteil der FM ist ebenfalls von unterschiedlichen Einflussfaktoren wie Genetik, Alter, Geschlecht, Ernährung und körperlicher Aktivität abhängig. Übersteigt die Energiezufuhr über die Nahrung längerfristig den Energieverbrauch durch körperliche Aktivität, so wird die überschüssige Energie als Fett im Körper angelagert [34]. Eine übermäßige Fettanlagerung (v. a. im Bauchbereich) ist mit zahlreichen negativen gesundheitlichen Folgen verbunden. Ein zu hoher Fettanteil ist z. B. mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, chronisch entzündliche Erkrankungen, Diabetes mellitus Typ 2 und bestimmte Krebserkrankungen assoziiert, was u. a. auf den ungünstigen Einfluss auf Blutfettwerte sowie eine gesteigerte Produktion und Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen durch das Fettgewebe zurückgeführt wird [40].
Die Normwerte der FM sind alters- und geschlechtsabhängig und liegen bei Erwachsenen im Alter von 20–60 Jahren in einem Bereich von 21–34 % (Frauen) bzw. 8–22 % (Männer) [41]. LeistungssportlerInnen können Körperfettwerte aufweisen, die deutlich unter den Normbereichen liegen. Das Unterschreiten einer kritischen FM (Männer: 2–4 %, Frauen: 10–12 %) kann hingegen gravierende gesundheitliche Folgen haben, da z. B. die Regulation verschiedener Hormone, das Immunsystem oder auch das Herz-Kreislauf-System beeinträchtigt werden können [42, 43].
Zusammen mit dem Körpergewicht und der FFM bzw. SMM ist die FM daher ein weiterer wichtiger Indikator für den Gesundheitszustand. Da die FM bei den meisten BIA-Gleichungen aus der Differenz von FFM und Körpergewicht berechnet wird, unterliegen die Messergebnisse den gleichen Störfaktoren wie die FFM. Zudem wurde festgestellt, dass der Körperfettanteil von stark adipösen Personen mit vielen BIA-Formeln deutlich unterschätzt wird [44]. Mit neueren, speziell für diese PatientInnenkollektive entwickelten Formeln zeigte sich in Validierungsstudien, dass durch eine entsprechende Anpassung der Algorithmen die Messgenauigkeit verbessert werden kann [45, 46].

Basierend auf den beschriebenen methodischen Grundlagen wurden unterschiedliche BIA-Geräte entwickelt, die sich, abhängig von der verwendeten Frequenz, grob in zwei Hauptkategorien unterteilen lassen: Die Einfach- und die Multi-Frequenz-BIA. Bei früheren, nicht-phasensensitiven BIA-Geräten wurde lediglich Z gemessen und aus dem daraus ermittelten TBW anschließend die FFM und FM berechnet. Da bei diesen Geräten noch nicht der PA ermittelt werden konnte und keine Aussagen bezüglich der BCM und ECM möglich waren, zählten diese noch zu der Gruppe der Zwei-Kompartiment-Modelle. Auf diese älteren Systeme wird im Weiteren nicht näher eingegangen.

Einfach-Frequenz-BIA (Single-Frequency BIA, SF-BIA)

Die SF-BIA am ganzen Körper ist die ursprüngliche und nach wie vor die wohl am häufigsten genutzte Methode. Dabei wird üblicherweise ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 kHz über Oberflächenelektroden appliziert, die an definierten Stellen an der Hand und am Fuß angebracht werden. Am weitesten verbreitet ist die tetrapolare, ipsilaterale Messung. Hierzu werden für die Ganzkörpermessung jeweils zwei Elektroden an Hand und Fuß der gleichen Körperseite (ipsilateral) befestigt. Die distalen, stromführenden Elektroden werden dabei auf dem Handrücken, proximal des Metakarpophalangealgelenks, und auf dem Fußrücken, proximal des Metatarsophalangealgelenks, angelegt. Die proximalen Detektionselektroden werden auf der dorsalen Seite des Handgelenks, in der Mitte zwischen Processus styloideus radii und Processus styloideus ulnae, und auf der dorsalen Seite des Sprunggelenks, in der Mitte zwischen dem Malleolus lateralis und dem Malleolus medialis, platziert (• Abbildung 3).
Die Messung erfolgt liegend in Rückenlage und mit 30–45° vom Körper abduzierten (abstehenden) Extremitäten. Um eine gleichmäßige Verteilung der Körperflüssigkeiten zu erzielen, wird eine Liegezeit von 10 Minuten vor Durchführung der Messung empfohlen [28]. Grundlage der Methode ist der inverse Zusammenhang zwischen Z und TBW. Das TBW wird dabei nicht im eigentlichen Sinne gemessen, sondern aus den elektrischen Widerständen im ECW (75 %) und ICW (25 %) abgeschätzt [29]. Validierungsstudien, in denen die SF-BIA mit Referenzmethoden verglichen wurde, haben gezeigt, dass sich TBW und FFM bei Gesunden mit stabilem Hydratationsstatus valide abschätzen lassen [47–49]. Akute Änderungen des Körperwassers und daraus abgeleitete Abschätzungen der Körperzusammensetzung können jedoch nicht mit ausreichender Präzision detektiert werden, was eine wesentliche Limitation der Methode darstellt [49, 50].

Multi-Frequenz-BIA (Multi-Frequency BIA, MF-BIA)

Bei der MF-BIA werden mehrere Frequenzen zur Messung verwendet, die meist im Bereich von 5–500 kHz liegen. Die Methode basiert auf der Feststellung, dass TBW und ECW differenziert erfasst können, wenn gleichzeitig sowohl niedrig- (bis 5 kHz für ECW) als auch hochfrequente (> 50 kHz für TBW) elektrische Ströme eingesetzt werden. Das ICW wird ermittelt, indem das ECW vom TBW subtrahiert wird. Untersuchungen mit Gesunden und KoronarpatientInnen haben gezeigt, dass sich z. B. das ECW mittels MF-BIA akkurater bestimmen lässt als mit der SF-BIA [51, 52]. Allerdings wurde von anderen WissenschaftlerInnen auch postuliert, dass durch den Einsatz mehrerer Frequenzen keine Steigerung der Aussagekraft erzielt werden kann [53]. Außerdem zeigt auch die MF-BIA nur eine geringe Sensitivität bei der Detektion von akuten Veränderungen des Hydratationsstatus und Flüssigkeitsverschiebungen zwischen ECW und ICW [52, 54].

Bioimpedanz-Spektroskopie (BIS)

Bei der BIS wird ein breites Frequenzspektrum von 5–1 000 kHz genutzt. Die Datenanalyse basiert im Gegensatz zur MF-BIA auf einem physiologischen Modell und einer Mischgleichung (• Kasten „Datenanalyse bei der BIS”).
Studien, in denen die BIS mit Referenzmethoden verglichen wurde, deuten darauf hin, dass sich das Körperwasser und die BCM bei Gesunden und auch bei bestimmten PatientInnenkollektiven präziser bestimmen lassen als mit der SF-BIA [56–58]. Allerdings können bei abnormalem Hydratationsstatus oder stark von der Norm abweichenden Körpermaßen (z. B. Adipositas) auch bei der BIS Probleme mit der Messgenauigkeit auftreten [29, 57, 58].

Körpersegment-Bioimpedanzanalyse

Die traditionellen Ganzkörper-BIA-Verfahren berücksichtigen nicht, dass die einzelnen Körpersegmente in einem Fünf-Zylinder-Körpermodell (Arme, Beine, Rumpf) unterschiedliche Formen und damit auch unterschiedliche Impedanzen aufweisen. Dabei werden in der Regel lediglich die rechte Körperhälfte gemessen und anschließend die Z-Werte des ganzen Körpers per Duplikation berechnet. Ungleichheiten zwischen den Segmenten werden über empirische Berechnungsvariablen (z. B. Geschlecht, Alter) rechnerisch ausgeglichen. Zudem können Veränderungen der FFM im Rumpf (dessen Anteil an der Gesamtkörpermasse ca. 50 % beträgt) mit Ganzkörper-BIA-Methoden nur unzureichend detektiert werden, da dieser aufgrund des relativ großen Durchmessers nur ca. 10 % zu der Gesamt-Z beiträgt.
Diese Limitationen haben zu der Entwicklung der segmentalen BIA geführt, die im Gegensatz zur Ganzkörper-BIA die Z in jedem einzelnen Körpersegment (Arme, Beine und Rumpf) misst. Moderne segmentale BIA-Geräte arbeiten mit 8 Elektroden (jeweils zwei an Händen und Füßen) und applizieren den Strom in einem breiten Frequenzspektrum (1–1 000 kHz) über beide Körperhälften [29, 59]. Bei einer Messung im Liegen werden Hautelektroden beidseitig an Händen und Füßen angebracht. Bei Standgeräten, deren Messdauer oft nur noch etwa 1 Minute beträgt, sind die Elektroden in Handgriffen und einer Bodenplatte integriert. Validierungsstudien, in denen die FFM bzw. SMM bei gesunden Personenkollektiven mit neuesten segmentalen BIA-Verfahren bestimmt wurde, zeigten eine hohe Übereinstimmung mit der DXA [60, 61] und dem Goldstandard MRT [62]. Zudem wurde in Studien festgestellt, dass TBW [63], ECW [64] und die SMM [65] mit der segmentalen BIA akkurater abgeschätzt werden können als mit der Ganzkörper-BIA. Die Methode scheint im Vergleich zu herkömmlichen BIA-Verfahren auch in geringerem Maße durch akute Schwankungen und abnormale Veränderungen des Flüssigkeitshaushalts beeinträchtigt zu werden [65]. Allerdings sind weitere Validierungsstudien mit Goldstandard-Methoden nötig, um die Genauigkeit der zugrundeliegenden Algorithmen unter pathologischen Bedingungen weiter zu optimieren [39, 58].

Bioelektrische Impedanz-Vektorenanalyse (BIVA)

Die BIVA ist eine von Piccoli [66] etablierte Weiterentwicklung der herkömmlichen BIA-Methode, bei der die beiden Impedanz-Grundkomponenten R und Xc standardisiert zur Körpergröße in einem Koordinatensystem zu einem Vektorpunkt aufgetragen werden. Die Lage des Vektorenpunkts innerhalb des Graphen gibt Auskunft über den Hydratationsstatus und die BCM.
Anhand von groß angelegten Populationsstudien mit mehreren Tausend Personen wurden drei Toleranzellipsen entwickelt, die den 50., 75. und 95. Perzentilen der Referenzpopulation entsprechen [66].
Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie unabhängig von Berechnungsformeln ist, da nur die elektrische Leitfähigkeit des Körpers in die Analyse eingeht. Die BIVA objektiviert keine Absolutwerte, stellt jedoch v. a. in Längsschnittuntersuchungen eine wertvolle Ergänzung zur BIA dar, da sich Veränderungen von TBW und BCM durch Verschiebungen des Vektorpunkts grafisch gut objektivieren lassen. Eine Verschiebung des Vektors entlang der Längsachse entspricht einer Veränderung der R und damit einer Zu-/Abnahme des Körperwassers. Eine Verschiebung entlang der Querachse entspricht einer Veränderung der Xc und damit einer Zu-/Abnahme der BCM. Der Dehydratations- bzw. Überwässerungsgrad und das Ausmaß der BCM-Änderung lassen sich somit allein per Blickdiagnostik anhand der Abweichung vom Normalbereich innerhalb der drei Toleranzellipsen beurteilen (• Abbildung 5).

Die Reliabilität von BIA-Messungen kann durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst werden, die grob in 4 Gruppen unterteilt werden können:

1. Faktoren, die direkt mit der Technik (BIA-Gerät, Messequipment) zusammenhängen
2. Faktoren, die vom/von der Untersuchenden ausgehen
3. Faktoren, die im Zusammenhang mit der Testperson stehen
4. umweltbedingte Faktoren

Um die Präzision der Messergebnisse zu erhöhen, ist daher auf eine standardisierte Durchführung zu achten.

Einflussfaktoren durch das Gerät und Messequipment

Einige BIA-Geräte müssen vor dem Gebrauch kalibriert werden, wofür ein entsprechendes Equipment verwendet wird. Von einigen Herstellern werden auch spezielle Dummy-Schaltkreise zur Verfügung gestellt, die nicht einer Kalibrierung im eigentlichen Sinne, aber der routinemäßigen Überprüfung der Messgenauigkeit dienen. Durch diese Maßnahmen kann die intra-instrumentelle Variabilität verringert werden. Da gerätespezifische Unterschiede die Messergebnisse beeinflussen können, sollten Verlaufsmessungen auch stets mit dem gleichen Gerät durchgeführt werden, um einen inter-instrumentellen Bias zu vermeiden.
Die Qualität und Positionierung der Elektroden ist von außerordentlicher Wichtigkeit für akkurate Messergebnisse.

Die Verwendung von ungeeigneten Elektroden und falsche Positionierung zählen zu den wesentlichen Ursachen für Fehlmessungen.

Um eine ausreichende Kontaktfläche und gute elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, werden konduktive Elektroden auf Gelbasis mit einer Größe von > 4 cm² empfohlen. Die Strom- und Spannungselektroden müssen mindestens in einem Abstand von 5 cm zueinander an den definierten Stellen angebracht werden, da es sonst zu einer Interaktion zwischen den Elektroden kommen kann [39]. Eine Verschiebung der Elektroden um 1 cm kann bereits zu einer Veränderung der Impedanz Z um 10 Ω führen [67].

Einflussfaktoren durch den/die Untersuchende/ n

Aufgrund der sehr einfachen und unkomplizierten Durchführung einer BIA ist der potenzielle Untersucher-Bias geringer einzuschätzen als bei anderen Methoden zur Bestimmung der Körperzusammensetzung. Werden Verlaufsmessungen aber von mehreren Untersuchenden durchgeführt, sollte dennoch unbedingt auf eine standardisierte Durchführung (insbesondere beim Anbringen der Elektroden) geachtet werden, um reliable Ergebnisse zu gewährleisten.

Einflussfaktoren durch die Testperson

• Neben dem Hydratationsstatus der Testperson, der als wichtigste Einflussgröße auf die Messergebnisse bereits ausführlich diskutiert wurde, sind noch eine Reihe weiterer personenbedingter Faktoren relevant:
• Es wird empfohlen, dass die Testperson nüchtern (idealerweise > 8 Stunden Nahrungskarenz) und mit leerer Blase zur Messung erscheint. Mahlzeiten und Getränke, die 2–4 Stunden vor der Messung konsumiert wurden, können die Z um bis zu 15 Ohm reduzieren [68].
• Die letzte sportliche Betätigung sollte u. a. aufgrund von Plasmavolumenverschiebungen, die nach intensiven körperlichen Belastungen auftreten, ebenfalls > 8 Stunden zurückliegen.
• Bei Fieber kann die Messung nicht durchgeführt werden, da die erhöhte Körpertemperatur eine veränderte Flüssigkeitsverteilung im Körper bewirkt, die sich auf die Z auswirkt und zu invaliden Messergebnissen führt [39].
• Während der Messung darf die Testperson keinen Kontakt zu äußeren Metallobjekten (z. B. einem Bettgestell) haben. Am Körper liegende metallische Gegenstände (z. B. Schmuck, Uhren etc.) sollten entfernt werden.
• PatientInnen mit Herzschrittmachern oder Defibrillatoren wird aus Sicherheitsgründen empfohlen, auf eine BIA zu verzichten. Aktuelle Studienergebnisse weisen zwar auf eine Unbedenklichkeit bei Messungen mit einer Frequenz von 50 kHz hin [69], aber um diese Frage abschließend beurteilen zu können, ist noch weitere Forschung (insbesondere auch mit multifrequenten Geräten) nötig. Bei PatientInnen mit einer Amputation oder metallischen Implantaten kann eine Messung an den vorhandenen bzw. gesunden Extremitäten durchgeführt werden. Die Absolutwerte können dabei nicht präzise bestimmt werden, allerdings sind Verlaufserhebungen aufgrund des konsistenten Messfehlers möglich [39].
• Bei liegenden Messungen ist auf eine mindestens zehnminütige Ruhephase in entspannter, horizontaler Position zu achten, um eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung im Körper zu gewährleisten.
• Die Extremitäten sollten 30–45° vom Körper abduziert werden, da Kontakte zwischen den Beinen bzw. zwischen Armen und dem Rumpf den Stromweg verkürzen und dadurch zu falschen Messergebnissen führen [39]. Bei hochgradig adipösen PatientInnen kann isolierendes Material (z. B. ein Handtuch) verwendet werden, um den Kontakt zu unterbinden.
• Bei einer BIA in stehender Position wird aufgrund der Blutumverteilung im Körper in den Armen und Beinen ein ca. 3 % geringeres und im Rumpf ein ca. 3 % größeres ECV im Vergleich zur liegenden Position gemessen [70].
• Die Hautbeschaffenheit kann einen merklichen Einfluss auf die Messergebnisse haben [39]. Grundsätzlich sollten Hautstellen, die mit den Elektroden beklebt werden, zuvor mit Alkohol-/Desinfektionstupfern gereinigt und entfettet werden. Sehr trockene Haut leitet den Strom schlechter, sodass hier ein zusätzliches konduktives Gel zur Steigerung der Leitfähigkeit hilfreich sein kann.
• Des Weiteren gilt bei weiblichen Testpersonen zu beachten, dass der Menstruationszyklus mit verschiedenen physiologischen Veränderungen des Flüssigkeitshaushalts einhergeht, die einen Einfluss auf die Messergebnisse haben können. Bei Verlaufsuntersuchungen wird daher empfohlen, standardisiert während definierter Zyklusphasen zu messen [71].
• Aufgrund der physiologischen Veränderungsprozesse der Körperzusammensetzung in der Lebensspanne zählt auch das Lebensalter zu den entscheidenden personenbedingten Einflussfaktoren. So zeigen sich bei älteren Menschen z. B. größere Schwankungen des Hydratationsgrades der FFM. Aus diesem Grund sollten für die Auswertung stets Algorithmen verwendet werden, die für eine vergleichbare Altersgruppe entwickelt wurden.
• Letztlich ist auch die ethnische Zugehörigkeit als weitere Einflussgröße zu nennen. Aufgrund potenzieller Unterschiede in anthropometrischen Indizes und der Körperzusammensetzung zwischen ethnischen Gruppen ist auch hier auf die Wahl einer geeigneten Berechnungsformel zu achten. Da der Großteil der BIA-Studien mit kaukasischen Kollektiven durchgeführt wurde, bedarf es aktuell aber auch noch der Entwicklung und Validierung weiterer populationsspezifischer BIA-Algorithmen [72].

Umweltbedingte Einflussfaktoren

Die Umgebungstemperatur zählt zu den wichtigsten umweltbedingten Faktoren, die einen Einfluss auf die Messergebnisse haben können. So wurde z. B. beobachtet, dass sich die Z-Werte, bedingt durch eine kältebedingte Vasokonstriktion, bereits bei einer Temperatur von 14 °C deutlich erhöhen können. Bei kurzzeitiger Hitzeexposition (35 °C) kann die Impedanz aufgrund von verstärkter Vasodilatation hingegen deutlich absinken. Die Messungen sollten daher idealerweise bei standardisierter Umgebungstemperatur in einem Bereich von 20–25 °C durchgeführt werden [73].

Die BIA ist ein unkompliziertes Verfahren zur Bestimmung der Körperzusammensetzung bei gesunden Personen und PatientInnen. Die Validität der Methode, die bei Gesunden und auch bei normal hydrierten Personen gut belegt ist, kann jedoch bei Störungen des Wasserhaushalts beeinträchtigt sein.
Die Messgenauigkeit kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Um aussagekräftige Messergebnisse zu erhalten, sollten nur wissenschaftlich validierte Systeme verwendet und auf standardisierte Untersuchungsbedingungen geachtet werden. Moderne, segmentale BIA-Systeme scheinen sich nach aktueller Datenlage am besten für die klinische Anwendung zu eignen, da diese im Vergleich zur herkömmlichen Einfach-Frequenz-BIA weniger fehlerbehaftet sind und eine höhere Präzision erreichen können.
Bei liegenden Messungen ist besonderes Augenmerk auf eine korrekte Platzierung der Elektroden zu legen. Darüber hinaus ist es wichtig, für die Datenauswertung eine passende Berechnungsformel zu verwenden, die z. B. in Bezug auf Alter, Geschlecht, ethnischen Hintergrund und Gesundheitszustand anhand einer Referenzpopulation validiert wurde und vergleichbar mit der Testperson ist. Die Optimierung und Weiterentwicklung von spezifischeren BIA-Gleichungen für bestimmte Populationen und Krankheitsbilder (insbesondere bei Störungen des Hydratationsstatus) und deren Validierung durch entsprechende Referenzmethoden ist Gegenstand aktueller und zukünftiger Forschung.

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Dr. phil. Dejan Reljic^{1, 3}
Dr. oec. troph. Hans Joachim Herrmann¹
Prof. Dr. med. Markus F. Neurath²
Prof. Dr. med. Yurdagül Zopf^1
1 Hector-Center für Ernährung, Bewegung und Sport
Medizinische Klinik 1 – Gastroenterologie, Pneumologie und Endokrinologie
Universitätsklinikum Erlangen
² Medizinische Klinik 1 – Gastroenterologie, Pneumologie und Endokrinologie
Universitätsklinikum Erlangen
³ dejan.reljic@uk-erlangen.de 

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Beiträge der zertifizierten Fortbildung sind prinzipiell produkt- und dienstleistungsneutral und werden finanziell nicht von externen Stellen unterstützt.

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Interessenkonflikt

Dr. Reljic, Dr. Herrmann und Prof. Dr. Zopf (ärztliche Leitung) führen zur Zeit der Erstellung des Beitrags eine Studie durch, die durch die Seca GmbH & Co. KG kofinanziert wird.
Prof. Neurath erklärt, dass kein Interessenkonflikt vorliegt.

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Literatur

1. Hu X, Zhang L, Wang H et al. (2017) Malnutrition- sarcopenia syndrome predicts mortality in hospitalized older patients. Sci Rep 7: 3171
2. Vandewoude MF, Alish CJ, Sauer AC et al. (2012) Malnutrition- sarcopenia syndrome: is this the future of nutrition screening and assessment for older adults? J Aging Res 2012: 651570
3. Linge J, Borga M, West J et al. (2018) Body composition profiling in the UK biobank imaging study. Obesity 26: 1785–1795
4. Selberg O, Buchert W, Graubner G et al. (1993) Determination of anatomical skeletal muscle mass by whole body nuclear magnetic resonance. Basic Life Sci 60: 95–97
5. Sjostrom L (1991) A computer based multicompartment body composition technique and anthropometric predictors of lean body mass, total and subcutaneous adipose tissue. Int J Obes 15: 19–30
6. Flindt R. Biologie in Zahlen. Eine Datensammlung in Tabellen mit über 10 000 Einzelwerten. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart (1995)
7. Nuttal FQ (2015) Body mass index. Obesity, BMI, and health: a critical review. Nutr Today 50: 117–128
8. Behnke AR (1942) Physiologic studies pertaining to deep sea diving and aviation, especially in relation to the fat content and composition of the body: The Harvey Lecture, March 19, 1942. Bull N Y Acad Med 18: 561–585
9. Brozek J (1966) Body composition models and estimation equations. Am J Phys Anthropol 24: 239–244
10. Siri WA (1956) The gross composition of the body. Adv Biol Med Phys 4: 239–280
11. Fuller NJ, Jebb SA, Laskey MA et al. (1992) Four component model for the assessment of body composition in humans: comparison with alternative methods, and evaluation of the density and hydration of fat-free mass. Clin Sci 82: 687–693
12. Fields DA, Goran MI, McCrory MA (2002) Body-composition assessment via air-displacement plethysmography in adults and children: a review. Am J Clin Nutr 75: 453–467
13. Wang J, Thornton JC, Kolesnik S et al. (2000) Anthropometry in body composition. An overview. Ann N Y Acad Sci 904: 317–326
14. Lohman TG (1981) Skinfolds and body density and their relation to body fatness: a review. Hum Biol 53: 181–255
15. Heyward VH. Applied body composition assessment. Human Kinetics, Champaign/IL (USA) (2002)
16. Orphanidou C, McCargar L, Birmingham CL et al. (1994) Accuracy of subcutaneous fat measurement: comparison of skinfold calipers, ultrasound, and computed tomography. J Am Diet Assoc 94: 855–858
17. Duren DL, Sherwood RJ, Czerwinski SA et al. (2008) Body composition methods: comparisons and interpretation. J Diabetes Sci Technol 2: 1139–1146
18. Gray DS, Bray GA, Bauer M et al. (1990) Skinfold thickness measurements in obese subjects. Am J Clin Nutr 51: 571–577
19. Pietrobelli A, Heymsfield SB, Wang ZM et al. (2001) Multi-component body composition models: recent advances and future directions. Eur J Clin Nutr 55: 69–75
20. Albanese CV, Diessel E, Genant HK (2003) Clinical applications of body composition measurements using DXA. J Clin Densitom 6: 75–85
21. Choi YJ (2010) Dual-energy X-ray absorptiometry: beyond bone mineral density determination. J Nutr Health Aging 14: 418–426
22. Lee SY, Gallagher D (2008) Assessment methods in human body composition. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 11: 566–572
23. Garg MK, Kharb S (2013) Dual energy X-ray absorptiometry: pitfalls in measurement and interpretation of bone mineral density. Indian J Endocrinol Metab 17: 203–210
24. Toomey CM, McCormack WG, Jakeman P (2017) The effect of hydration status on the measurement of lean tissue mass by dual-energy X-ray absorptiometry. Eur J Appl Physiol 117: 567–574
25. Müller MJ, Braun W, Pourhassan M et al. (2016) Application of standards and models in body composition analysis. Proc Nutr Soc 75: 181–187
26. Prior BM, Cureton KJ, Modlesky CM et al (1997) In vivo validation of whole body composition estimates from dual-energy X-ray absorptiometry. J Appl Physiol 83: 623–630
27. Thibault R, Pichard C (2012) The evaluation of body composition: a useful tool for clinical practice. Ann Nutr Metab 60: 6–16
28. National Institutes of Health Technology Assessment Conference Statement (1996) Bioelectrical impedance analysis in body composition measurement. Am J Clin Nutr 64: 524S–532S
29. Kyle UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD et al. (2004) Bioelectrical impedance analysis– part I: review of principles and methods. Clin Nutr 23: 1226–1243
30. Sun SS, Chumlea WC, Heymsfield SB et al. (2003) Development of bioelectrical impedance analysis prediction equations for body composition with the use of a multicomponent model for use in epidemiologic surveys. Am J Clin Nutr 77: 331–340
31. Bosy-Westphal A, Danielzik S, Dörhöfer RP et al. (2006) Phase angle from bioelectrical impedance analysis: population reference values by age, sex, and body mass index. JPEN J Parenter Enteral Nutr 30: 309–316
32. Barbosa-Silva MC, Barros AJ, Wang J et al. (2005) Bioelectrical impedance analysis: population reference values for phase angle by age and sex. Am J Clin Nutr 82: 49–52
33. Siddiqui NI, Khan SA, Shoeb M et al. (2016) Anthropometric predictors of bio-impedance analysis (BIA) phase angle in healthy adults. J Clin Diagn Res 10: CC01– CC04
34. Thews G, Mutschler E, Vaupel P. Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen. 5. Aufl., Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart (1999)
35. Wang Z, Heshka S, Wang J et al. (2007) Metabolically active portion of fat-free mass: a cellular body composition level modeling analysis. Am J Physiol Endocrinol Metab 292: E49–E53
36. Fragala MS, Kenny AM, Kuchel GA (2015) Muscle quality in aging: a multi-dimensional approach to muscle functioning with applications for treatment. Sports Med 45: 641–658
37. Jurca R, Lamonte MJ, Barlow CE et al. (2005) Association of muscular strength with incidence of metabolic syndrome in men. Med Sci Sports Exerc 37: 1849–1855
38. Janssen I, Heymsfield SB, Wang Z et al. (2000) Skeletal muscle mass and distribution in 468 men and women aged 18–88 yr. J Appl Physiol 89: 81–88
39. Kyle UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD et al. (2004) Bioelectrical impedance analysis– part II: utilization in clinical practice. Clin Nutr 23: 1430–1453
40. Monteiro R, Azevedo I (2010) Chronic inflammation in obesity and the metabolic syndrome. Mediators Inflamm 2010: 289645
41. Gallagher D, Heymsfield SB, Heo M et al. (2000) Healthy percentage body fat ranges: an approach for developing guidelines based on body mass index. Am J Clin Nutr 72: 694–701
42. Fagerberg P (2018) Negative consequences of low energy availability in natural male bodybuilding: a review. Int J Sport Nutr Exerc Metab 28: 385–402
43. Hulmi JJ, Isola V, Suonpää M et al. (2017) The effects of intensive weight reduction on body composition and serum hormones in female fitness competitors. Front Physiol 10: 689
44. Bernhard AB, Santo MA, Scabim VM et al. (2016) Body composition evaluation in severe obesity: a critical review. Adv Obes Weight Manag Control 4: 159–164
45. Horie LM, Barbosa-Silva MC, Torrinhas RS et al. (2008) New body fat prediction equations for severely obese patients. Clin Nut 27: 350–356
46. Jiménez A, Omaña W, Flores L et al. (2012) Prediction of whole-body and segmental body composition by bioelectrical impedance in morbidly obese subjects. Obes Surg 22: 587–593
47. Kushner RF, Schoeller DA (1986) Estimation of total body water by bioelectrical impedance analysis. Am J Clin Nutr 44: 417–424
48. Kushner RF, Schoeller DA, Fjeld CR et al. (1992) Is the impedance index (ht2/R) significant in predicting total body water? Am J Clin Nutr 56: 835–839
49. Lukaski HC, Bolonchuk WW, Hall CB et al. (1986) Validation of tetrapolar bioelectrical impedance method to assess human body composition. J Appl Physiol 60: 1327–1332
50. O’Brien C, Young AJ, Sawka MN (2002) Bioelectrical impedance to estimate changes in hydration status. Int J Sports Med 23: 361–366
51. Patel RV, Matthie JR, Withers PO (1994) Estimation of total body and extracellular water using single- and multiple-frequency bioimpedance. Ann Pharmacother 28: 565–569
52. Patel RV, Peterson EL, Silverman N (1996) Estimation of total body and extracellular water in post-coronary artery bypass graft surgical patients using single and multiple frequency bioimpedance. Crit Care Med 24: 1824–1828
53. Piccoli A, Pastori G, Guizzo M et al. (2005) Equivalence of information from single versus multiple frequency bioimpedance vector analyis in hemodialysis. Kidney Int 67: 301–313
54. Olde Rikkert MG, Deurenberg P, Jansen RW (1997) Validation of multifrequency bioelectrical impedance analysis in monitoring fluid balance in healthy elderly subjects. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 52: M137–141
55. Cornish BH, Ward LC, Thomas BJ (1996) Evaluation of multiple frequency bioelectrical impedance and Cole-Cole analysis for the assessment of body water volumes in healthy humans. Eur J Clin Nutr 50: 159–164
56. Jaffrin MY, Morel H (2008) Body fluid volumes measurements by impedance: a review of bioimpedance spectroscopy (BIS) and bioimpedance analysis (BIA) methods. Med Eng Phys 30: 1257–1269
57. Earthman C, Traughber D, Dobratz J et al. (2007) Bioimpedance spectroscopy for clinical assessment of fluid distribution and body cell mass. Nutr Clin Pract 22: 389–405
58. Mager JR, Sibley SD, Beckman TR et al. (2008) Multifrequency bioelectrical impedance analysis and bioimpedance spectroscopy for monitoring fluid and body cell mass changes after gastric bypass surgery. Clin Nutr 27: 832–841
59. Ward LC (2012) Segmental bioelectrical impedance analysis: an update. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 15: 424–429
60. Anderson LJ, Erceg DN, Schroeder ET (2012) Utility of multifrequency bioelectrical impedance compared with dual-energy x-ray absorptiometry for assessment of total and regional body composition varies between men and women. Nutr Res 32: 479–485
61. Ling CH, de Craen AJ, Slagboom PE et al. (2011) Accuracy of direct segmental multi-frequency bioimpedance analysis in the assessment of total body and segmental body composition in middle-aged adult population. Clin Nutr 30: 610–615
62. Bosy-Westphal A, Jensen B, Braun W et al. (2017) Quantification of whole-body and segmental skeletal muscle mass using phase-sensitive 8-electrode medical bioelectrical impedance devices. Eur J Clin Nutr 71: 1061–1067
63. Thomas B, Cornish B, Pattemore M et al. (2003) A comparison of the whole-body and segmental methodologies of bioimpedance analysis. Acta Diabetol 40: s236– s237
64. Thomas B, Cornish B, Ward L et al. (1998) A comparison of segmental and wrist-to-ankle methodologies of bioimpedance analysis. Appl Radiat Isot 49: 477–478
65. Tanaka NI, Miyatani M, Masuo Y (2007) Applicability of a segmental bio-electrical impedance analysis for predicting the whole body skeletal muscle volume. J Appl Physiol 103: 1688–1695 
66. Piccoli A, Rossi B, Pillon L et al. (1994) A new method for monitoring body fluid variation by bioimpedance analysis: the RXc graph. Kidney Int 46: 534–539
67. Schell B, Gross R (1987) The reliability of bioelectrical impedance measure-ments in the assessment of body composition in healthy adults. Nutr Rep Int 36: 449–459
68. Heitmann BL (1994) Impedance: a valid method in assessment of body composition? Eur J Clin Nutr 48: 228–240
69. Pinto LW, Veloso Gandra S, de Carvalho Alves M et al. (2017) Bioelectrical impedance analysis of body composition: influence of a newly implanted cardiac device. J Electr Bioimp 8: 60–65
70. Zhu F, Schneditz D, Wang E et al. (1998) Dynamics of segmental extracellular volumes during changes in body position by bioimpedance analysis. J Appl Physiol 85: 497–504
71. Heyward VH (1998) Practical body composition assessment for children, adults, and older adults. Int J Sport Nutr 8: 285–307
72. Deurenberg P, Deurenberg-Yap M (2003) Validity of body composition methods across ethnic population groups. Acta Diabetol 40: s246–s249
73. Buono MJ, Burke S, Endemann S et al. (2004) The effect of ambient air temperature on whole-body bioelectrical impedance. Physiol Meas 25: 119–123