InBody技术

了解身体成分分析,以及InBody如何改进现有BIA技术为专业人士提供准确的身体成分分析的更多相关信息。

什么是BIA?

人体和阻抗

生物电阻抗分析(BIA)通过向人体施加交流电以测量阻抗。

电阻的概念

为更好地说明BIA的工作原理,请想象一下道路交通中的车流。电压源或电流就是你的汽车,体内水分就是你所在的高速公路。如果没有其他车辆,你就可以快速通过高速公路。正如人体充满了水分而不含其他物质时,便不存在电阻。

但水并不是人体中的唯一元素,就像高速公路上也不只有你驾驶的汽车。随着越来越多的汽车进入高速公路,你需要更长的时间才能通过公路,阻力因此产生。脂肪、肌肉、骨骼和矿物质等其他元素会对穿过身体的电流产生阻力。

在BIA中,体内的水分越多,电阻就越小。与脂肪不同的是,体内肌肉含有水分,所以肌肉越多,体内水分也就越多。体内水分越多,电流受到的阻力就越小。

电抗的概念

电抗(也称为电容电阻)是指电容对瞬时电流流动的反作用力。电抗有助于测定细胞储能的能力,也可间接测量细胞强度和完整性。

但水并不是人体中的唯一元素,就像高速公路上也不只有你驾驶的汽车。随着越来越多的汽车进入高速公路,你需要更长的时间才能通过公路,阻力因此产生。脂肪、肌肉、骨骼和矿物质等其他元素会对穿过身体的电流产生阻力。

在BIA中,体内的水分越多,电阻就越小。与脂肪不同的是,体内肌肉含有水分,所以肌肉越多,体内水分也就越多。体内水分越多,电流受到的阻力就越小。

整合

阻抗是电阻和电抗的矢量和,也是BIA装置用于确定身体成分的测量值。BIA通过圆柱模型确定阻抗与人体之间的关系。

两种阻抗计算公式如下:

1.计算圆柱体积(体积=长度×面积)

2.阻抗特性:阻抗与横截面积成反比,与长度成正比。

知晓圆柱体的阻抗和长度后,我们就可以测定体内水分总量。

这些公式同样适用于人体,而其中的长度则是个人的身高。因此,只要知道个体的阻抗和身高,我们就可以计算出体内水分的体积。这也是为什么必须准确测量高度的原因。

BIA技术的历史

来源:“全身阻抗与身体水分总量的相关性”(Correlation of whole-body impedance with total body water
volume)

1969年——Hoffer和阻抗指数

1969年,Hoffer开展了一系列实验,证明体内水分总量与生物阻抗存在高度相关性,这表明阻抗测量可用于确定体内水分总量。Hoffer还发现,高度的平方值除以阻抗的商与体内水分总量高度相关。

Hoffer对身体的右半部分进行了阻抗测量,包括右臂、躯干和右腿。平方值除以阻抗的数值显示,体内水分总量的相关系数为0.92,高于体重等其他指标。Hoffer证明的等式就是BIA当前使用的阻抗指数。

图片提供:RJL系统

1979年——RJL系统和第一台阻抗计

1979年,RJL系统首次实现阻抗计的商用化,BIA方法也开始流行起来。该装置的工作原理是在患者右手背和右脚面贴附电极,并在身体的右半部分传导50kHz的电流以测量阻抗。

在此之前,身体成分仅可通过卡尺或水下称重的方式进行测量。这些方法需由技术人员执行,且操作并不容易。此外,仅有特定类型的患者才能从中受益。然而,BIA方法简单、快速、廉价且侵入性较小。因此,许多身体成分研究人员、营养师和医学专家纷纷开始使用BIA方法。

20世纪80年代——经验数据发现BIA的局限性

Lukaski、Segal和其他学者的研究也加速了BIA的发展。多项研究证明,BIA与水下称重及DEXA等黄金标准方法有着较高的相关性。然而,BIA的技术局限性在20世纪80年代后期才开始浮现。

其中一大限制表现在BIA假设人体呈圆柱状,并且使用的是单一频率(50kHz)。这可能适用于标准体型的患者,但对其他人群而言并不准确。因此,研究人员提出了阻抗指数及其他各种方程式,以对弥补BIA方法的技术限制,并为不同年龄、性别的患者群体提供更高的测量准确性。

来源:使用四极生物电阻抗测量值估算体液体积(Estimation of Body Fluid Volumes Using Tetrapolar
Bioelectrical Impedance Measurements)

20世纪80年代——Lukaski和Kushner提出经验方程

经验数据是指通过观察或实验获得的知识。研究人员收集(有望)代表整个群体方差的数据,尝试得出可用于预测结果的趋势。在身体成分方面,研究人员已确定肌肉和脂肪量的预测趋势;他们根据特定变量(年龄、性别、种族等),使用这些数据对身体成分进行预测。

1986年,Lukaski公布数个方程式,其中涉及阻抗指数、体重和电抗;1986年,Kushner公布数个方程式,其中涉及阻抗指数、体重和性别。

虽然经验估计可以准确估计一般用户的身体成分,但当其应用于医疗领域时却存在显著问题。

假设有一台装置可使用经验方程来计算体内水分总量。同时,两位个体具有相同的瘦体重,但其中一人是30岁而另一个人是40岁。虽然二人的瘦体重相同,但经验方程的计算显示,鉴于二人的年龄差异,他们的体内水分总量仅相差0.8L,这一结果既不公平也不准确。

20世纪80年代——家用BIA装置

由于技术限制,BIA装置已成为一种家用设备而非医疗器械。在20世纪80年代后期,日本制造商推出各种类型的基于BIA的身体成分装置,而这些装置也十分易于公众使用。当用户站在体重秤上时,部分装置测量双脚之间的阻抗,而用户手持的另一个装置则负责测量双手之间的阻抗。

1992年——Kushner及其提出的多频率分段分析

由于技术限制导致BIA测量结果不准确,因此许多人认为可以对BIA进行改善。1992年,Kushner声称人体由五个圆柱体(右臂、左臂、躯干、右腿、左腿)组成,而非一个圆柱体。

虽然纤瘦的肢体会影响总阻抗,但具有最大横截面积的躯干却对阻抗几乎没有影响。然而,由于躯干占到瘦体重的50%,Kushner因此强调称,分别测量身体躯干的阻抗十分重要。

单独测量总阻抗是不够的,所有五个圆柱体必须在不同的频率下进行单独测量,从而区分细胞外液和细胞内液。换句话说,就是在不同频率条件下测量不同圆柱体,从而克服BIA的技术限制。

1996年——Cha博士打造出InBody身体成分分析仪

1996年,哈佛医学院生物工程专业的Kichul Cha博士开发出世界上第一个8点触觉电极系统,该系统支持直接分段分析功能,可在多频率条件下测量身体五个不同部位的阻抗。

通过向身体的五个部位施加多频电流以测量阻抗时,需要进行单独的阻抗测量。此外,该系统还支持单独检查躯干阻抗,在不使用经验数据的情况下,得出了高度准确的结果。因此,InBody身体成分分析仪已成为一种精密的医疗设备。所有圆柱体(包括躯干)的阻抗值皆可在InBody结果表中找到。

当前众多BIA产品都可给出身体各部位的肌肉质量。然而,大多数此类产品无法进行截面阻抗测量,尤其是躯干阻抗。然而,如InBody结果表所示,你可以查看身体五处部位的阻抗值,如高频和低频条件下的躯干阻抗值。

InBody推动BIA技术的革新

InBody的医疗级身体成分分析仪依靠四大技术支柱
提供极其准确和精确的BIA结果,而这些结果
也与黄金标准方法高度相关。

8点触觉电极系统

使用电极测量阻抗时,将出现接触电阻。InBody策略性地放置电极以准确测量体内阻抗,从而对接触电阻进行说明。

直接分段测量

InBody对身体的5个圆柱体(左臂、右臂、左腿、右腿和躯干)进行独立测量,从而提供准确的数据。

多频率

InBody在不同频率条件下运用多重电流,从而提供最精确的体内水分分析。

无经验估计

计算身体成分时并未使用经验估计。InBody独立测量阻抗,因此得出的结果不受年龄、种族或性别的影响。

BIA技术问题

如果测量起始位置发生改变,阻抗也会改变,并产生误差。

InBody解决方案

带拇指电极的8点触觉电极系统

带拇指电极的8点触觉电极系统

当人体与电极接触时,就会出现接触电阻。在测量人体电阻时,控制接触电阻十分重要。

装置利用人体的人体工学特性,当InBody用户握住手电极时,电流从电极流出,装置在拇指触摸的电极处测量电压。

由于始终在手腕的相同位置进行测量,因此装置设计具有高度的可重复性特点。无论手上的接触点如何,皮肤的接触电阻都不会产生干扰,因此可以进行精确的测量。

脚电极的工作方式与之相同,电流从前底电极流出,装置在后底电极处测量电压。测量位置始终位于踝关节处。

带拇指电极的8点触摸电极方法是InBody装置的独特功能,可实现测量结果的极高重现率。

8个接触点分别来自于两个拇指电极、两个手掌电极、两个脚底电极和两个脚跟电极。

手电极采用解剖学设计,打造出易于复制的简单手持结构。电压拇指电极确保电流测量始终从手腕处开始;即使当患者改变电极的手持位置或手上的接触点时,装置也可返回相同的测量值。

模仿这项技术的竞争产品通常不设有拇指电极,取而代之的是一个测量开始按钮。在这种情况下,电流电极和电压电极均与手掌接触,因此测量起始点可能位于不同位置,并不总是与电极保持相同。

BIA技术问题

传统的BIA将人体视作一个圆柱体。然而,身体躯干需要进行单独测量,这是因为即使1-2欧姆的测量误差也会导致体内水分总量的测量值出现实质性误差。

InBody解决方案

直接分段多频生物电阻抗分析(DSM-BIA)将人体视为由五个圆柱体组成:左臂、右臂、左腿、右腿和躯干。InBody支持各圆柱体的独立测量,从而给出全身的精确测量值。

直接分段多频生物电阻抗分析

传统的BIA系统将人体视为单一水柱,通过全身阻抗确定体内水分总量。

但这种方法其实存在许多缺陷:

  • 其假设身体所有部位的瘦体重和体脂分布是恒定的。
  • 手臂、腿部和躯干的形状和长度不同,因此身体不能仅仅被视为一个圆柱体,其实际上是由五个独立的圆柱体组成。
  • 由于阻抗是以长度和横截面积作为基础,身体各部分的长度和横截面积不同,因此TBW的计算并不准确。

单圆柱体方法的最大问题之一就是躯干测量的欠缺。躯干具有最短的长度和最大的横截面积,因此阻抗非常低(通常为10~40欧姆)。然而,躯干的瘦体重(LBM)占到全身约50%。

在全身阻抗的测量中,由于躯干阻抗被忽视,因此身体躯干阻抗的变化也遭到低估。躯干阻抗的5欧姆变化实际上已经是一个巨大的差异,但其在全身阻抗测量中仅表现为不到1%的差异。

换句话说,如果无法单独测量身体躯干,则可能会忽略身体躯干的阻抗。但由于身体躯干占到体重的一半以上,因此可以说全身阻抗测量忽视了一半的身体。

由于身体躯干比四肢含有更多的水和肌肉,因此1欧姆的躯干阻抗和1欧姆的肢体阻抗可能产生不同的影响。此外,由于每欧姆涉及到大量瘦体重,因此甚至1~2欧姆的差异都会导致体内水分总量(TBW)的测定值出现较大误差。

部分BIA装置仅可测量两个圆柱体的阻抗值,并借此估计其余圆柱体的阻抗值。BIA秤仅可测量你的腿部阻抗,而BIA手持装置仅可测量你的手臂阻抗。部分BIA装置的宣传称其可测量全身阻抗,但实际上仅可测量一条胳膊和一条腿的阻抗,并借此估计身体其余部分的阻抗。

如需使用BIA装置时,重要的是找到可实际单独测量躯干阻抗的装置,而非估计阻抗值的装置。否则,估计值可能引起体内水分总量出现较大误差,进而导致无脂肪质量和瘦体重的数值出错。

InBody装置没有通过直接节段多频BIA进行估计。简单来说,这意味着身体的各个部位(右臂、左臂、躯干、右腿和左腿)都在不同频率条件下进行单独测定。

BIA技术问题

大多数BIA装置测量体内水分总量时仅使用单一频率(50
kHz)。由于50kHz或更低的频率几乎无法穿过细胞膜,因此不可能精确测量出细胞内液中的阻抗值。准确测量细胞内液和细胞外液的能力对于肾脏学或康复学专业人员来说十分重要。

InBody解决方案

InBody采用不同的高频和低频条件来测量细胞内液和细胞外液,从而进行最精确的体内水分总量分析。多频率的使用提升了InBody装置的准确性,使其可应用于医疗领域。

多频率

早期的BIA装置在计算体内水分总量时仅采用50 kHz的单一频率。水分存储于全身,体内水分总量(TBW)可分为2个部分:

1.细胞内液(ICW)——肌肉、骨骼、器官等细胞内部。

2.细胞外液(ECW)——血液和组织液中的水

然而,由于50 kHz或更低的频率几乎无法穿过细胞膜,不可能精确测量出细胞内液的总量,因此必须基于细胞外液的情况,按比例估计细胞内液的总量。

细胞内液可以进行估计,这是因为细胞内液与细胞外液的标准比例约为3:2。然而,需要进行身体成分分析的老年人和肥胖患者往往具有更高比例的细胞外液,3:2的比例值在这种情况下无效。

因此,在测量患者体内水分时,基于3:2的比例估计细胞外液量可能产生严重错误。

InBody在不同频率条件下运用多重电流,从而提供最精确的体内水分分析。电流穿透方式不同,具体取决于频率。部分频率更适用于测量细胞外液,而其他频率可穿过细胞膜以测量体内水分总量。

换句话说,高频电流可有效穿过细胞膜,从而测定细胞内水液量和细胞外液量。相反地,低频电流难以穿过细胞膜,因此其倾向于流经细胞外液,以测量细胞外液量。

InBody采用1 kHz至1 MHz的多种频率,因此能够测定细胞内液量和细胞外液量。

鉴于不同频率穿透细胞膜的程度各不相同,可以通过直接测量而非假设的方式来测定细胞内液量。多频率的使用有助于对个体身体成分进行更加详细的分析。

区分细胞内液和细胞外液的做法还可得出水肿指数和其他数值。身体成分分析仪因此得以应用于肾脏学和康复学领域。

BIA技术问题

创建并使用经验方程,以补偿缺乏的躯干阻抗(由全身阻抗测量问题导致)。这些经验方程插入了年龄、性别和种族等数据以计算用户的身体成分,而非测量个体的实际身体成分。

InBody解决方案

计算身体成分时并未使用经验估计或经验方程。InBody独立测量阻抗,因此得出的结果不受年龄、种族或性别的影响。

无估计或经验方程

BIA装置一般通过经验方程计算用户的身体成分,这是因为大多数BIA装置采用的是全身阻抗。通过插入年龄和性别等经验数据,这些方程有助于弥补躯干阻抗测量的不足。

如果用户存在特定年龄、性别和种族的典型身体形状,则经验方程可以对用户身体成分进行较为准确的估计。这些方程还考虑到随着个体年龄的增长,他们的肌肉质量可能下降,而男性的肌肉质量往往高于女性。

但是,将数据插入方程并不意味着特定身体成分正在被测量。如果你是一位年迈的女性健美运动员会怎么样?实际上,在你所在的年龄和性别组中,你可能拥有比他人更多的肌肉质量,但经验估计却将以其他方式进行计算。

经验估计的问题在于你向其中插入数据的预构造方程主要对身体构成进行估计。无论实际身体成分如何,得出的结果始终是预先确定的。

Lukaski在1988年利用身高、体重、阻抗、年龄和性别数据计算体内水分总量的经验方程样本如下:

TBW = 0.377 H2/R + 0.14重量 – 0.08年龄 + 2.9性别 + 4.65

InBody不需要使用经验公式计算你的具体结果,这是因为InBody身体成分分析仪可以将整个身体划分为5个圆柱体进行测量,从而将躯干测量与身体的其他部分区分开来。采用身高和身体五个部位的阻抗值即可确定你的身体成分。

InBody提供量身定制服务,无论是男性还是女性用户都将获得相同的身体成分测量值,如肌肉质量和脂肪量等。

如何确定你的BIA装置是否使用经验估计?尝试通过切换年龄或性别数据,对同一用户进行两次连续测试。

如果装置得出了两种不同的结果,则其已使用经验估计。这些BIA装置经过编程设计,输出的数据始终显示男性的肌肉质量大于女性(无论实际情况如何)。

与黄金标准方法的高度相关性

得益于技术发展,InBody现已成为市场上最精确的BIA装置之一,在正常体重成人群体的瘦体重方面,InBody被认为与DEXA具有0.99的高度相关性。

文章:“直接分段多频生物阻抗分析在中年人群的全身和部位成分评估中的准确性”