Die Bioelektrische Impedanzanalyse (BIA) ist eine schnelle, kostengünstige und nicht-invasive Methode in der medizinischen Diagnostik zur Messung der Körperzusammensetzung (vgl. Desport et al. 2003; Wirth et al. 2005 in Endruhn, 2011, S.9). Sie basiert auf dem Prinzip der Messung von unterschiedlichen, aber spezifischen, Leitfähigkeiten für die jeweiligen Gewebsarten. Darauffolgend ist das Messprinzip genauer ausgeführt.

Bei der BIA wird die Körperzusammensetzung mittels elektrischer Leitfähigkeit gemessen. Ein schwacher, risikoloser Wechselstrom wird segemental (Arme, Beine, Rumpf) oder durch den gesamten Organsimus durch die im Körperwasser gelösten Elektrolyte geleitet. Der Gesamtwiderstand (Impedanz) und die Phasenverschiebung wird ermittelt (vgl. Reimers, Mersch & Müller-Nothmann, 2005, S.357). Zur Vereinfachung des grundlegenden Prinzips kann man sich den menschlichen Körper modellhaft als elektrischen Leiter vorstellen. Die einzelnen Gewebsarten entsprechen dabei den Leiterbahnen, die unterschiedlich gut leiten und somit unterschiedliche elektrische Widerstände (Impedanzen) aufweisen (vgl. Endruhn, 2011, S.9). Das liegt daran, dass die Flüssigkeitsanteile in den einzelnen Gewebsarten (Skelett-, Muskel-, Fettmasse) unterschiedlich hoch sind. Im Skelett und Körperfett liegt beispielsweise ein hoher Widerstand vor, hingegen weist die fettfreie Masse, wie Muskelgewebe und Extrazellulärräume einen niedrigen Widerstand auf (vgl. Reimers, Mersch & Müller-Nothmann, 2005, S.356f).

Die ersten Überlegungen zur BIA sind auf den italienischen Physiker Galvani im Jahr 1786 zurückzuführen, der den Einfluss des elektrischen Stroms auf die Gewebestrukturen des Frosches untersuchte. Die ersten wissenschaftlich fundierten Untersuchungen begannen jedoch erst ab 1960. Damals stellte der Arzt Thomasset die Hypothese auf, dass der elektrische Widerstand den Flüssigkeitsgehalt des menschlichen Körpers abbildet. 1962 entwickelte der französische Arzt mit seinem Forscherteam einen der ersten Impedanzanalysatoren zur Messung an biologischen Geweben. Daraufhin verifizierte der amerikanische Forscher Nyboer um 1970 die Annahme von Thomasset, indem er belegen konnte, dass die ermittelten elektrischen Widerstände (Impedanzen) Rückschlüsse auf die Körperzusammensetzung zulassen. Dieser Nachweis ist die Basis der Bioelektrischen Impedanzanalyse, wie sie heute bekannt ist und Anwendung findet (die Bezeichnung der Methode existiert als BIA jedoch erst seit den 80er Jahren (Dörhöfer u. Pirlich, 2003)) (vgl. Endruhn, 2011).

Zur Messung wird über die Oberflächenelektroden ein sinusförmiger Wechselstrom an definierten Stellen des Körpers angelegt, der die unterschiedlichen Gewebsarten durchquert bzw. auf unterschiedliche Impedanzen trifft. Zur Bestimmung der Körperzusammensetzung gibt es unterschiedliche Messmethoden, die dahingehend auch unterschiedlich viele Kompartimente erfassen (siehe Abb. 1). Im Folgenden wird zu einen auf das Zwei-Kompartiment-Modell und zum anderen auf das Drei-Kompartiment-Modell eingegangen.

Abb.1: Schematische Darstellung der Kompartimentmodelle (Dörhöfer & Pirlich, 2007, S. 2).

Das Zwei-Kompartiment-Modell kommt bei der Nicht-phasenintensiven BIA zum Einsatz. Die Berechnung des Körperfettgehalts erfolgt hierbei über die Berechnung des Gesamtwiderstands des Körpers (Impedanz Z). Es wird hierbei keine Aussage über die Körperzellmasse (BCM) und über die extrazelluläre Masse (ECM) getroffen (vgl. Dörhofer & Pirlich, 2007, S. 2f.).

Bei der phasenintensiven BIA kommt das Drei-Kompartiment-Modell zum Einsatz. Hierbei werden Aussagen über die Körperzellmasse (BCM), die extrazelluläre Masse (ECM) und den Gesamtwiderstand des Körpers (Impedanz Z) getroffen. Die BCM berechnet sich hierbei aus der Summe aller stoffwechselaktiven Zellen (Muskulatur, innere Organe und Zentrales Nervensystem). Der extrazelluläre Raum der ECM bezieht sich auf das Bindegewebe und das Skelett.

Zur Bestimmung des Gesamtkörperwassers (kurz: TBW) wird der elektrische Widerstand im Körper gemessen, der von der Länge und dem Querschnitt (bzw. dem Volumen) des Körpers abhängig ist. Dahingehend wird der Wassergehalt aus dem Quotienten der Körperlänge zum Quadrat und der Impedanz berechnet (vgl. Endruhn, 2011, S. 13). Da der Widerstand eines biologischen Leiters auch von der verwendeten Frequenz abhängig ist, lassen sich durch unterschiedliche Frequenzen die einzelnen Parameter messen. Mittels einer phasenintensiven Multifrequenzanalyse mit niedrigen Frequenzen von 1 bis 5 kHz wird selektiv das extrazelluläre Wasser berechnet. Das Gesamtkörperwasser TBW wird dabei aus der Summe des intrazellulären Wassers (ICW) und des extrazellulären Wassers (ECW) bestimmt (vgl. Dörhofer & Pirlich, 2007, S. 2f.).

Die Impedanz Z wird aus der Summe von der Resistance R und der Reactance Xc berechnet. Die nicht zellulär gebundene Körperflüssigkeit verhält sich wie ein elektrischer Leiter und wird als Resistance (bzw. Wasserwiderstand R) bezeichnet wird. Die Reactance (Xc) ist der kapazitive Widerstand, der durch die Kondensatoreigenschaften der Körperzellen entsteht (also: Zellwiderstand Xc). Zur Bestimmung der beiden Parameter (R und Xc) und zur Verbesserung der Genauigkeit der Messergebnisse wird der Phasenwinkel (kurz: PA) einbezogen, da der kapazitative Widerstand (Xc) mit den Kondensatoreigenschaften der Zellmembran zusammenhängt und dahingehend zu einer Phasenverschiebung führt.(vgl. Endruhn, 2011, S. 12f)

Abb.3: Phasenwinkel (Dörhöfer & Pirlrich, 2007, S. 7)

Abb.4: Entstehung des Phasenwinkels an der Zellmembran (Dörhöfer & Pirlrich, 2007, S. 7)

Da der Wechselstrom einen sinusförmigen Verlauf hat, wird diese Phasenverschiebung als Phasenwinkel (PA) bezeichnet. Eine gesunde Zelle mit einem stabilen Membranpotential weist einen hohen Phasenwinkel auf, während Zellen in einem schlechten Ernährungszustand einen niedrigen Wert haben. Bei einer Frequenz von 50 kHz ist der Phasenwinkel am aussagekräftigsten. Der Phasenwinkel verhält sich proportional zu Reactance Xc und ist somit ein Maß für die BCM. Ein niedriger Phasenwinkel kann einerseits durch Muskelabbau oder andererseits auch durch eine zunehmende ECW bedingt sein. Da Fettzellen kaum stoffwechselaktiv sind, sondern hauptsächlich als Speicherzellen dienen, werden diese bei der phasenintensiven Messung nicht erfasst (vgl. Endruhn, 2011, S.13f).

Übersicht der Kompartimente (vgl. Dörhöfer & Pirlich, 2007, S.2)

3-Kompartiment-Modell mit EWC und IWC Aus den bereits erwähnten gemessenen Parametern Impedanz Z, Phasenwinkel, Resistance R sowie Reactance Xc und den vorausgesetzten Werten, Alter, Größe und Gewicht, lassen sich folgende Parameter berechnen: TBW, FFM, BCM, ECM, ECW, ICW und FM. Als Magermasse (FFM) wird die fettfreie Masse des Körpers bezeichnet, die sich aus der Muskulatur, den Organen, dem Skelettsystem und dem Zentralnervensystem zusammensetzt. Für die Auswertung der FFM wird die konstante Körperhydratation von 73,2 % bei Erwachsenen vorausgesetzt, so dass sie sich aus dem Quotienten von TBW und 73,2% errechnen lässt (vgl. Dörhöfer u. Pirlich, 2003). Bei Abweichungen des Hydratationsgrades werden falsche Werte der Folgeparameter FFM, BCM und ECM berechnet. In diesen Fällen können die Messergebnisse der Resistance R, Reactance Xc und des Phasenwinkels zur Beurteilung herangezogen werden. Die FFM setzt sich aus der BCM und der ECM zusammen. Die BCM beinhaltet im Wesentlichen die Zellen der Muskulatur und der inneren Organe und wird als Summe aller stoffwechselaktiven Zellen definiert. Das Verhältnis der Skelettmuskulatur zu der Nicht-Muskel-BCM schwankt beim Gesunden zwischen 3,5:1 und 4:1 (vgl. Müller et al. 1999). Die BCM ist die zentrale Größe zur Beurteilung des Ernährungszustandes. Da die genannten Zellen sämtliche Stoffwechselvorgänge des Körpers ausführen, stellt die BCM auch ein Maß für den Energieverbrauch dar, woraus folglich der Kalorienbedarf abzuleiten ist. Konstitutionstyp, Lebensalter und Trainingszustand beeinflussen den individuellen Wert der BCM. Die Erhaltung der BCM ist wesentliche Aufgabe der Ernährungstherapien. Um einen reellen Verlust der Zellmasse zu erkennen, sollten die BIA-Parameter Phasenwinkel, der abnimmt, und Reactance Xc, die ebenfalls sinkt, analysiert werden.Dadurch kann ein vorübergehender Verlust von ICW als Ursache für die Reduktion der BCM in der Messung von dem echten Verlust an BCM unterschieden werden. Die ECM setzt sich aus den bindegewebigen Strukturen (Kollagen, Elastin, Haut, Sehnen, Faszien und Knochen) und einem flüssigen Anteil (ECW), bestehend aus Plasma, interstitiellem und transzellulärem Wasser zusammen. Bei gesunden Individuen ist der ECM/BCM-Index prinzipiell kleiner eins und kann zur Beurteilung des Ernährungszustandes ebenfalls herangezogen werden. Eine weitere errechnete Größe stellt die FM dar, die aus der Differenz von Körpergewicht und FFM bestimmt werden kann. Zusammenfassend lässt sich eine katabole Stoffwechsellage anhand der errechneten Größen an einer Reduktion der BCM, des ICW und einer Vergrößerung des Extrazellulärraumes erkennen (vgl. Dörhöfer u. Pirlich, 2003).

Für die Durchführung der Messung wird eine Reihe an Materialien benötigt. Diese sind Desinfektionsmittel, Tupfer, Elektroden (vier pro Proband), das BIA-Messgerät und ein PC mit dem entsprechenden Auswertungsprogramm (vgl. Bös et.al., 2009, S.6).

Der Proband sollte für eine exakte Messung mindestens 20 Minuten vor der Messung nichts gegessen oder getrunken haben. Darüber hinaus sollte er sich komplett entleert haben und ca. drei Minuten vor der Messung ruhig und flach auf dem Rücken liegen. Dies dient der Blutverteilung im Körper. Außerdem sollte er keine metallischen Gegenstände an sich tragen oder berühren, die Beine leicht gespreizt haben und die Arme leicht von Körper weg legen. Auch sollte der Proband keine kalten Extremitäten haben. Vor der Messung werden die Elektroden an der rechten Hand und dem rechten Fuß des Probanden angebracht. Wichtig hierbei, dass vor dem Anbringen die Hand- und Fußbereiche desinfiziert und gegebenenfalls auch Haare entfernt werden. Die Elektroden werden wie in „Abb.2 Elektrodenplatzierung“ gezeigt angebracht. Es ist darauf zu achten, dass das rote Kabel jeweils distal angebracht wird und das schwarze proximal (Dörhöfer & Pirlich, 2007, S.45f).

Abb.2: Elektrodenplatzierung (vgl. Dörhöfer & Pilrich, 2007, S.46).

Die BIA wird sowohl im klinisch-medizinischen Bereich sowie als Messmethode innerhalb der Sportpraxis (Gesundheits-/Ernährungsberatung) angewandt. Folgende Anwendungsgebiete sind weiterhin denkbar oder greifen immer öfter ergänzend zu anderen diagnostischen Messmethoden auf die BIA zurück:

Diagnostik und Charakterisierung von Mangelernährung und Hydrationsstörungen in folgenden klinischen Anwendungsgebieten

• Gastroenterologie (Lebertransplantationen und Darmerkrankungen)
• Nephrologie
• Onkologie und Tumordiagnostik
• HIV-Infektion
• Adipositas und Endokrinologie (Differenzialdiagnose zwischen Cushing-Syndrom und Adipositas)
• Pädiatrie (Hydration, Mangelernährung, Wachstum)

Klinische Anwendungsgebiete der BIA

Verlaufskontrollen

• Als Therapiekontrolle bei Gewichtsreduktionsprogrammen (Diätverläufe, Ernährungsberatung, Diabetes, Übergewicht und Adipositas, Essstörungen als auch zur Beurteilung von Ernährungstherapien bei Kindern/Pädiatrie)
• Therapie mit Wachstumshormonen (auch bei minderwüchsigen Kindern/Pädiatrie)
• Rehabilitation und Sport (Trainingsverläufe) BIA bei der Beratung und Betreuung von Sportlern

(vgl. Endruhn, 2011, S. 10ff; Reimers, Mersch & Müller-Nothmann, 2005, S.360f)

1. Referenzmethoden

• Densitometrie
• Kalium 40
• Deuteriumoxid D2O

Referanzmethoden

2. Methoden für die Praxis

• Bod Pod Bod Pod
• Calipometrie Calipometrie
• Infrarot Intrarot

1. Skizziere grob den Ablauf der Bioelektrischen Impedanzanalyse!
2. Erläutere die Bedeutung des Phasenwinkels bei der Messung des Körperfetts mit Hilfe der Bioelektischen Impedanzanalyse!
3. Wie lässt sich der Phasenwinkel errechnen? Und was sind Ursachen von einem niedrigen Phasenwinkel?
4. Nenne drei Anwendungsbeispiele der BIA aus der Sportpraxis.
5. Inwieweit spielt die Bioelektische Impedanzanalyse in der Trainingsgestaltung eine Rolle?
6. Beschreibe einen selbst gewählten klinischen Bereich etwas näher.

Bös, K., Jekauc, D., Karger, C., Mess, F., Oberger, J., Opper, E., Romahn, N., Schlenker, L., Woll, A. & Worth, A. (2009). Motorik- Modul im Rahmen des Kinder- und Jugendgesundheitssurveys des Robert Koch- Institut in Berlin (KiGGS). Testmanual. Verbundprojekt: Uni Konstanz, Uni Karlsruhe (TH), PH Schwäbisch Gmünd.

Dörhöfer, R.-P. & Pirlich, M. (2007). Das Bia – Kompendium (3. Ausgabe). Darmstadt: Data – Input GmbH.

Endruhn, S. (2011). Die Bioelektrische Impedanzanalyse bei Patienten mit einer Amyotrophen Lateralsklerose Eine prospektive Pilotstudie. Dissertation, Universitätsklinikum Ulm. Neumünster: Limpert-Verlag GmbH.

Reimers, C., Mersch, S. & Müller-Northmann, S.-D. (2005). Die Bioelektrische Impedanzanalyse (BIA). Methoden zur Messung der Körperkompartimente in der Ernährungsmedizin. Schweiz. Zschr. GanzheitsMedizin, 17 (6), 355-361.

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