Niniejszy przegląd opisuje wymagania i zastosowania analizy wektorów impedancji bioelektrycznej w praktyce klinicznej u dorosłych pacjentów.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł przeglądowy
Niniejszy przegląd opisuje wymagania i zastosowania analizy wektorów impedancji bioelektrycznej w praktyce klinicznej u dorosłych pacjentów.
Ocena składu ciała jest kluczowa w klinicznej praktyce żywieniowej dla badań przesiewowych, diagnozy, leczenia i prognozowania pacjentów. Analiza impedancji bioelektrycznej (BIA) jest szeroko stosowana do oceny składu ciała. Urządzenia impedancyjne mierzą odpowiedź elektryczną (rezystancję) ciała pod wpływem prądu elektrycznego, tym samym pośrednio szacując skład ciała poprzez przewodzenie niskiego prądu elektrycznego do ciała. Jednak na interpretację wyników BIA wpływa wiele czynników, w tym urządzenia, równania, indeksy i odniesienia populacji. Analiza wektorów impedancji bioelektrycznej (BIVA) została opracowana jako alternatywna metoda półilościowej oceny statusu hydracji, która przezwycięża niektóre ograniczenia tradycyjnego BIA poprzez analizę wzorców odległości wektorowych oraz ich rozkładu na rezystancję i reaktancję (R-Xc). Niniejszy przegląd opisuje klasyfikację urządzeń BIA, co jest przydatne do określenia, kiedy podejście BIVA jest odpowiednie do analizy składu ciała. Ten narracyjny przegląd przedstawia wymagania oraz medyczne i żywieniowe zastosowania analizy wektorów impedancji bioelektrycznej u dorosłych pacjentów w ciągu ostatniej dekady. Kilka publikacji informowało o klinicznych zastosowaniach BIVA u dorosłych pacjentów, w tym ocenie stanu objętości płynów, kontroli płynów ustrojowych oraz przewidywaniu negatywnych wyników u pacjentów poddawanych terapii nerkowej lub przyjmowanych na oddziały intensywnej terapii. Był również stosowany jako alternatywne narzędzie diagnostyczne u dorosłych z nieprawidłowościami płynów płynowych do wykrywania sarkopenii, kacheksji lub niedożywienia, co odzwierciedla niską masę komórek ciała lub zmniejszenie tkanek miękkich. Jednak należy wziąć pod uwagę pewne implikacje, aby nie wpływać na interpretację wyników, w tym różnice w urządzeniach, metodach analizy i specyficznych odniesieniach populacyjnych. W związku z tym celem niniejszego przeglądu jest opisanie różnic między urządzeniami a technikami analizy stosowanymi w BIVA, które zostaną omówione w niniejszym przeglądzie.
Ocena składu ciała jest jednym z głównych czynników, które należy wziąć pod uwagę w kontekście stanu odżywienia. Zmieniony skład ciała występuje, gdy wchłanianie i/lub spożycie składników odżywczych, zarówno niedoborowe, jak i nadmierne spożycie, jest zakłócone i wiąże się z kilkoma schorzeniami medycznymi, takimi jak choroby sercowo-naczyniowe, endokrynologiczne i kości 1,2. Dlatego jego ocena może dostarczyć kluczowych informacji podczas badania przesiewowego, diagnozy, leczenia i rokowania pacjenta2. Analiza impedancji bioelektrycznej (BIA) jest jedną z najczęściej opisywanych metod oceny składu ciała zarówno w środowiskach klinicznych, jak i badawczych, ze względu na jej nieinwazyjną, tańską, przenośną i niezawodną naturę 3,4.
Pierwsze zastosowanie prądów elektrycznych do szacowania składu ciała na podstawie prawa Ohma zostało przeprowadzone przez Nyboera i in. w 1950 roku oraz Thomasseta w 1962 roku dla tkanek biologicznych jako przewodników elektrycznych1. Analiza przedziałów ciała z użyciem BIA zakłada, że ciało ludzkie jest cylindrem utworzonym z przewodzących materiałów. Zgodnie z prawem Ohma, objętość można oszacować, gdy prąd kontrolowany jest indukowany na określonej częstotliwości, biorąc pod uwagę długość (L) i przekrój poprzeczny (A) przewodnika 2,3. Zatem R=ρL/A, gdzie R to rezystancja w omach, ρ to rezystancyjność materiału przewodzącego, a LA równa się objętości (V). Transformacja wzoru to V= ρL2/R 3,4. Tkanki biologiczne wykazują dwa typy oporu (R): opor przewodzący (masa chuda i płyny ustrojowe) oraz pojemnościowy R lub (reaktancja, Xc) od izolatorów (kości, masy tłuszczowej i błon komórkowych)2,4. Prąd przepływa przez płyny zewnątrzkomórkowe i włókna mięśniowe z relatywnie niskim oporem, podczas gdy zdolność do penetracji błony komórkowej zależy od częstotliwości przyłożenia. Standardowa BIA wykorzystuje częstotliwość 50 kHz, gdzie prąd stały odzwierciedla wartość R, a prąd przemienny odbija opóźnienie przepływu prądu spowodowane pojemnością błony komórkowej (Xc); pojemność definiowana jest jako zdolność do czasowego przechowywania ładunku elektrycznego, co powoduje opóźnienie przepływu 4,5,6. Relacja między R a Xc to impedancja (Z), sformułowana jako Z2 = R2+Xc2, odzwierciedlająca wewnątrzkomórkowe składniki płynu i komórek6. Kąt fazowy (PhA) opisuje pozycję Z jako PhA (stopień) = [łuk styczny (Xc/R)] × (180°/π)5,6. Parametry surowe mierzone przez urządzenia BIA to R, Xc i PhA (Rysunek 1). Te surowe parametry są wykorzystywane razem z parametrami antropometrycznymi, takimi jak wzrost (odpowiadający długości przewodnika w modelu cylindra), waga, wiek i płeć, aby uzyskać różne składniki składu ludzkiego ciała 2,6. BIA można lepiej zrozumieć, klasyfikując ją na podstawie częstotliwości, regionu ciała i analizy danych, jak opisanoponiżej 7.
Według częstotliwości urządzenia można sklasyfikować jako 1) Urządzenia o jednoczęstotliwościowej częstotliwości używają częstotliwości 50 kHz i pozostają najczęściej spotykane na świecie. Zalety tej metody to dostępność surowych danych do analizy, niskie koszty oraz łatwa kalibracja2. 2) Urządzenia wieloczęstotliwościowedziałają na częstotliwościach 2-6 (zwykle 1, 5, 50, 100, 200 i 500 kHz); prąd przemienny podawany na częstotliwościach ≥5kHz przenika przez błony komórkowe w pewnym stopniu8; jednak do modelowania rezystancji przy nieskończonej częstotliwości w celu przewidywania TBW używa się częstotliwości >50 kHz. Umożliwia to obliczanie TBW i ekstrakcję ECW, co skutkuje ICW i dystrybucją płynów 9,10. Niektóre urządzenia wieloczęstotliwościowe nie dostarczają surowych danych9. Ponadto 3) urządzenia spektroskopowe wykorzystują wielomianowy model Cole'a-Cole'a, który ekstrapoluje R0 do R∞zgodnie z miarami Z i PhA przy wielu częstotliwościach, aby uzyskać wykres Cole'a 6,9. Uzyskane parametry elektryczne zostały wykorzystane do oszacowania objętości składu ciała za pomocą równań opartych na właściwościach elektrycznych tkanek, zgodnie z modelem Hanai9. Jednak założenia przedstawione przez model nie dotyczą pacjentów ze zmienionym rozkładem tkanki tłuszczowej i nierównowagą płynów8. Badania nad tą technologią rosną, ale wiele z nich nie określa, że są oparte na spektroskopii, co ogranicza porównania2. Należy uwzględnić dostęp do surowych danych, ponieważ nie wszystkie urządzenia spektroskopowe raportują R i Xc z określoną częstotliwością, co ogranicza możliwość stosowania innych metod analizy danych 6,10. Badania kliniczne nie wykazały dotąd wyraźnych zalet spektroskopii nad urządzeniami wieloczęstotliwościowymi6.
Analiza obszaru ciała, podzielona przez całe ciało, traktuje ciało ludzkie jako symetryczny cylinder o jednorodnym składzie, generując szacowanie objętości za pomocą równań populacji 6,9. Pomiar przeprowadza się za pomocą standardowego układu tetrapolaryzowego, który polega na umieszczeniu dwóch elektrod na dłoni (jednej na nadgarstku między wyrostkami łokciowymi i promieniowymi, a drugiej tuż za śródręcznymi) oraz dwóch elektrod na stopie (jedna na kostce między młotkiem przyśrodkowym a bocznym, a druga tuż za śródstopiem)9Nazywana także ręka do stopy po jednej stronie, co umożliwia jej zastosowanie kliniczne w różnych pozycjach, z zabandażowanymi kończynami lub przy wenoklizie2. Ponadto pomiar segmentowy, który traktuje ludzkie ciało jako pięć cylindrów (ramiona, nogi i tułów) o różnych rezystancjach. Do pomiarów tetrapolarnych lub ośmibiegunowych wymagają zarówno stóp, jak i ramion, a brak standaryzacji w umieszczaniu elektrod zwiększa ryzyko błędu pomiarowego 2,4. Dane referencyjne są ograniczone, a suma impedancji segmentalnych różni się od impedancji całej częściciała 2.
Analizę danych można przeprowadzać przy użyciu surowych parametrów, takich jak kąt fazowy, który reprezentuje geometryczną relację oporu do reaktancji. Jest wskaźnikiem rozmieszczenia wody w organizmie i integralności błony komórkowej i został opisany jako prognostyczny wskaźnik przeżycia, powikłań, nawodnienia, odżywiania oraz jakości mięśni2. Równania regresji pozwalają ilościowo oszacować składniki tkanek ciała3. Równania te wykorzystują R jako główny predyktor, wraz z wysokością, Xc, wagą i wiekiem3 lat. Typowe parametry to masa beztłuszczowa, masa mięśni wyrostkowa, masa tłuszczowa, masa komórek ciała oraz całkowita, zewnątrzkomórkowa i wewnątrzkomórkowa woda2. Równania zakładają równy rozkład właściwości przewodzenia, stały przekrój poprzeczny oraz proporcjonalną długość przewodnika, co pozwala na obliczenie objętości, gdy przepływ prądu jestkontrolowany 2,3. Wyniki zależą od stanu nawodnienia i zmian masy mięśniowej8. Chociaż większość równań dobrze koreluje z innymi metodami oceny u zdrowych osób, nie korelują one dobrze u pacjentów z niedożywieniem, odwodnieniem lub nadmiernym nawodnieniem, takimi jak osoby hospitalizowane z niewydolnością nerek, wątroby i serca. Dodatkowo, różnice w urządzeniach oraz równania specyficzne dla wieku, płci i pochodzenia etnicznego mogą powodować niespójności w wynikach 2,12. Alternatywnie, analiza wektorowa impedancji bioelektrycznej (BIVA), wprowadzona przez Piccoli i in. w 1994 roku jako alternatywa dla równań regresji, wykorzystuje surowe pomiary BIA (R i Xc przy 50 kHz) podzielone przez wysokość w metrach. Wektor impedancji normalnej osoby zwykle mieści się w granicach 75. elipsy tolerancji na wykresach opartych na pochodzeniu etnicznym i płci 13,14,15.
Ten narracyjny przegląd przedstawia wymagania oraz medyczne i żywieniowe zastosowania analizy wektorów impedancji bioelektrycznej u dorosłych pacjentów w ciągu ostatniej dekady.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wymagania dotyczące przeprowadzania analizy i interpretacji wektorów impedancji bioelektrycznej
Zanim omówimy kliniczne zastosowanie analizy wektorów impedancji bioelektrycznej (BIVA), należy pamiętać, że nie wszystkie dostępne komercyjnie urządzenia nadają się do wykonywania BIVA. Rysunek 2 przedstawia algorytm, który należy sprawdzić, aby upewnić się, że surowa impedancja bioelektryczna wymagana do analizy jest dostępna oraz że urządzenie spełnia niezbędne kryteria użycia. Dodatkowo niezbędne jest zweryfikowanie niezawodności, precyzji i dokładności urządzenia poprzez standaryzację i kontrolę jakości pozyskiwania surowych parametrów, co zapewnia wiarygodną interpretację w różnych metodach i podnosi jakość wyników7. Kontrola jakości obejmuje użycie tego samego urządzenia z regularną kalibracją urządzenia za pomocą producenta obwodu testowego o znanej rezystancji lub impedancji, wysokiej jakości elektrod i ich położenia, temperatury skóry i rdzenia, odpowiedniego przygotowania obiektu oraz spójnych protokołów pomiarowych mierzonych w tych samych pozycjach ciała i kończyn. González-Correa i in. zaproponowali protokół jako listę kontrolną standaryzację pomiarów BIA u dorosłych16 lat, a sposób przeprowadzenia tego protokołu został opisany wcześniejw 17.
BIVA określa przeciążenie lub odwodnienie płynu zgodnie z pozycją wektora na wykresie RXc wzdłuż pionowej osi R i Xc. Wektory poniżej lub powyżej 75. elipsy tolerancji w dolnym biegunie wskazują odpowiednio na przeciążenie płynów (rozszerzanie objętości zewnątrzkomórkowej) i odwodnienie. Wszystkie wektory mieszczące się w granicach 50. i 75. elipsy tolerancji określały normalny status płynów i mas komórek 6,13,15 (Rysunek 3). Przykłady zastosowań klinicznych opisano na Rysunku 4.
Zastosowania kliniczne analizy wektorowej impedancji bioelektrycznej
Zastosowania kliniczne opisane w PubMed w latach 2015–2025 zostały opisane w Tabeli 1 i obejmują stosowanie BIVA do oceny stanu nawodnienia płynów (wykrywanie odwodnienia, nadmiernego nawodnienia, gromadzenia płynów i redystrybucji płynów) oraz stanu odżywienia (niedożywienie, kacheksja, sarkopenia, masa mięśniowa i tłuszcz). Badania z udziałem sportowców zostały wykluczone. Stosowane filtry obejmowały gatunki ludzkie, populacje dorosłych oraz język angielski.
Ocena stanu objętości płynu
BIVA została opisana jako metoda oceny stanu objętości płynów, kontroli płynów ustrojowych, zarządzania podaniem płynów dożylnych oraz wykrywania lub przewidywania negatywnych skutków. Jednym z pierwszych klinicznych zastosowań tej metody grafu było monitorowanie nawodnienia u pacjentów poddanych hemodializie jako alternatywa dla zmian masy ciała przed i po dializach18. Podczas gdy Samoni i in.19opisali jej zastosowanie u pacjentów w stanie krytycznym na oddziale intensywnej terapii, zgłaszając, że ciężka hiperhydratacja oceniana za pomocą BIVA wiązała się ze śmiertelnością. Kammar-García i in.20poinformowali, że pacjenci przyjęci na oddział ratunkowy, którzy zostali sklasyfikowani jako mający przeciążenie płynami przez BIA, mieli zwiększone prawdopodobieństwo śmiertelności. Pineda-Juarez stwierdził, że pacjenci z chorobą niedokrwienną i zmienionym stanem nawodnienia według BIVA wykazywali niższą odpowiedź krążeniowo-odruchową21. Varaldo i in.22stwierdzili, że pacjenci z akromegalią z aktywnymi lub kontrolowanymi chorobami wykazywali stan nadnawodnienia poza 75. percentylem zdrowej populacji.
Innym zastosowaniem jest ocena zmian płynów i stymulowanie terapii płynowej. Costa i in. odnotowali postępujący wzrost akumulacji płynów przy znacząco skróconym czasie wektora 24 godziny po operacji serca23. Tymczasem Maioli i in. stwierdzili, że ocena BIVA przy przyjęciu u pacjentów ze stabilną chorobą wieńcową pozwala na korektę rozszerzania objętości wewnątrznaczyniowej, co skutkuje niższym występowaniem CI-AKI po zabiegach angiograficznych24.
Porównania grupowe według ufności BIVA
Z drugiej strony, jeśli celem jest porównanie grup pacjentów, średnia, odchylenie standardowe oraz korelacja R/H i Xc/H mogą być zarejestrowane w oprogramowaniu BIVA do zaufania, co pozwala na określenie istotnych różnic za pomocą testu T2 Hotellinga oraz uogólnionej odległości25 Mahalanobisa. Rozkład wektorowy wartości średnich grup został wykreślony na wykresie względem 95. percentyla , określanego jako elipsa ufności lub przedział ufności26. Porównanie wiarygodności BIVA zostało zgłoszone u pacjentów po zawale mięśnia sercowego z indeksem współwystępującym Charlsona ≥3 vs. <2. Osoby o wyższym indeksie mają dłuższe wektory przesunięte w prawo, co sugeruje utratę tkanek miękkich27. Guerrini i in. znaleźli istotne różnice w elipsach rozkładu wektorów między pacjentami z sarkopenią lub niedożywieniem, charakteryzujące się dużym przesunięciem impedancji w prawo w porównaniu do pacjentów bez niedożywienia lub sarkopenii, co wskazuje na niższą masę tkanek miękkich. BIVA zidentyfikował również osoby z większą i mniejszą poprawą po rehabilitacji u pacjentów podostrych po udarze, wykazując przesunięcie wektorów przyjęć w lewo, co można interpretować jako wzrost tkanek miękkich i masy mięśniowej28.
Analiza wektorów impedancji bioelektrycznej – ocena z-score
Oprogramowanie BIVA zawiera analizę Z-score BIASO, obliczaną na podstawie liczby odchyleń standardowych od wartości rezystancji/wysokości oraz reaktancji/wysokości osoby badanej na podstawie średnich populacji referencyjnej, przekształcając je w dwuwymiarowy wynik Z i przedstawiając na wykresie R-Xc Z-score 6,29. Jeśli wektor badany znajduje się w czwartym kwadrancie (dolny prawy doł) i jest poza elipsami tolerancji 75. percentyla, to znaczy -1, wynik Xc-Z oznacza ekspansję zewnątrzkomórkową i odpady tkanek miękkich30. Użycie z-score było niewiele badane w literaturze; Zgłoszono go do określania różnic w składzie ciała w zależności od typu i stadium nowotworu31, oceniając stan odżywienia u pacjentów z dekompensowaną marskościąwątroby 32 oraz u pacjentów podostrych po udarze29.
Ocena masy komórek ciała, kacheksji i sarkopenii
Ponadto może być przydatny do klasyfikacji kacheksji, określanej przez wartości wysokiej oporności i niskiej reaktansji, reprezentowane przez wektor po prawej stronie wykresu, >75 elipsa tolerancji, wskazujący na niższą masę komórek ciała, jak w badaniu Santillán-Díaz i in., gdzie podejście to zostało zastosowane do oceny częstości występowania kacheksji reumatoidalnej u pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów33. Stwierdzili, że pacjenci z kacheksją wykazywali niższą siłę chwytu i funkcje fizycznej oraz wyższe wskaźniki przepisywania metotreksatu. Ramos-Vázquez i in. stwierdzili wyższą częstość kacheksji u pacjentów z dysfagią orofaryngealną, którzy byli karmieni wyłącznie przez sondę, niż u tych, którzy przyjmowali doustnie34.
Wreszcie, główne zalety tego podejścia BIVA to jednoczesna analiza składników nawodnienia i masy komórek ciała oraz zdolność do proporcjonalnej ciągłej analizy stanu zdrowia, ponieważ ciągłe pomiary można wykreślić na tym samym wykresie w celu porównania modyfikacji składu ciała (zarówno nawodnienia, jak i stanu odżywienia). Test T2 z jedną próbą w parze próby Hotellinga oraz uogólniona odległość Mahalanobisa mogą być użyte do oceny płynu i zmian na wykresie dR/H-dXc/H30. Lozada-Mellado i in. ocenili zmiany w stanie nawodnienia i masie komórek ciała po dynamicznym programie ćwiczeń u pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów w Meksyku, wykazując przesunięcie do kwadrantu masy kacheksji u pacjentów, którzy nie brali udziału w programie ćwiczeń.35. Quizzini i in. zastosowali tę analizę u starszych osób z sarkopenią, aby ocenić efekt programu ćwiczeń oporowych bez poprawy36.
Jak pokazano w Tabeli 1, kilka badań wykazało analizę BIA; jednak użyto tylko parametrów BIA, takich jak masa mięśniowa (kg), ECW, TBW oraz PhA 19,20,21,22,23,24,28,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Klasyfikacja wektorowa lub przemieszczenie wektora według elipsy tolerancji lub osi R-Xc nie były stosowane ani zgłaszane 37,38,39,40,41.
Perspektywy
Przyszłe badania mogłyby ocenić, czy pacjenci z nieprawidłowościami płynów ustrojowych, czyli do 75. źródła, czyli prawidłowym stanem płynów, mają lepsze rokowanie lub mniejszą częstość gorszych wyników, a także określić tę zmianę wyniku Z.
U pacjentów z przeciążeniem lub zaburzeniami płynów wartości masy mięśniowej są zniekształcone ze względu na fizjologiczne powiązania z nawodnieniem tkanek miękkich30, co przeszacuje masę mięśniową i utrudnia wykrywanie otyłości sarkopenijowej. Aby wykryć obecność zmian płynów i określić, czy można zastosować równania regresyjne, wynik BIVA Z-score może być przydatny w ocenie statusu płynów przy dyskryminacji pacjentów z nadmiernym nawodnieniem, którzy mogą zostać błędnie zaklasyfikowani bez sarkopenii lub kacheksji. Dlatego konieczne są nowe badania skupiające się na tej metodzie.
Ocena efektu medycznej terapii żywieniowej w celu rozróżnienia nagromadzenia płynów od wzrostu masy komórek ciała, którą można połączyć z testem funkcjonalności, takim jak siła chwytu, jest kolejnym zastosowaniem klinicznym w dalszych badaniach. Główne wyzwania obejmują brak standaryzacji w zastosowaniu metody, konieczność rozróżniania statystycznie istotnych różnic od tych o znaczeniu klinicznym oraz niezrozumienie lub niechęć do zaakceptowania ograniczeń i zakresu tej techniki. Te aspekty są kluczowe, gdy bioimpedancja jest wykorzystywana jako narzędzie oceny7. Ważne jest, aby pamiętać, że surowe pomiary BIA różnią się między urządzeniami i mogą wpływać na wyniki BIA, co należy uwzględnić przy porównywaniu badań i wyborze populacji referencyjnej, ponieważ może to wpływać na interpretację wyników, szczególnie w porównaniu z innymi populacjami referencyjnymi z różnych urządzeń42. Dodatkowo, kategorie klasyfikacji mogą być problematyczne w niektórych populacjach, takich jak kobiety powyżej 60 lat, ponieważ mogą występować różnice spowodowane przez urządzenia lub inne czynniki uzasadniające interpretację43.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Analiza impedancji bioelektrycznej (BIA) dostarcza kilku surowych parametrów, takich jak rezystancja, reaktancja i kąt fazowy, które można wizualizować i interpretować za pomocą BIVA. Te składowe są graficznie przedstawione za pomocą wykresów RXc, gdzie pozycja i przemieszczenie wektora impedancji w elipsach tolerancji dostarczają informacji o stanie nawodnienia i masie komórek ciała. Jednak większość dotychczasowych badań koncentrowała się na szacunkach pochodzących z BIA, zamiast w pełni wykorzystać klasyfikację wektor...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Autorzy pragną podziękować prof. Piccoli i Pastori z Wydziału Nauk Medycznych i Chirurgicznych Uniwersytetu w Padwie, Włochy, za dostarczenie oprogramowania BIA.
Badania te nie otrzymały żadnych konkretnych grantów od instytucji finansujących sektor publiczny, komercyjny ani non-profit. Ten protokół/badania są częścią pracy doktorskiej Yunuena Reyes-Paza, wspieranej przez stypendium Narodowej Rady Nauki i Technologii (CONACYT) (CVU 1076076).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.