BIA rasvamõõtmised: kuidas mõõtevead mõjutavad FFMI-d?

MF-BIA tehnilised alused ja toimimiseeldused

Bioelektrilise takistuse analüüs (BIA) hindab kehakoostist, mõõtes bioloogiliste kudede vastupanu (impedantsi) vahelduvvoolule [4, 20]. Faasitundlikud süsteemid jaotavad koguimpedantsi kaheks eraldi komponendiks: aktiivtakistuseks ($R$), mis peegeldab takistust voolu liikumisele läbi raku- ja rakuvälise vee, ning reaktiivtakistuseks ($X_c$), mis peegeldab rakumembraanide mahtuvuslikku mõju [20].

Standardne ühesageduslik BIA (SF-BIA) rakendab tavaliselt 50 kHz vahelduvvoolu, mis läbib suures osas rakuvälist vett (ECW) ilma rakumembraane täielikult läbimata [5]. Seevastu mitmesageduslik BIA (MF-BIA) rakendab diskreetsete mõõtmissageduste spektrit, mis ulatub kuni 800 kHz või 1000 kHz-ni [5, 20]. Madalamad sagedused (<50 kHz) liiguvad valdavalt läbi ECW, samas kui kõrgemad sagedused (>100 kHz) läbivad rakumembraani, võimaldades samaaegselt hinnata nii rakuvälist kui ka rakusisest vett (ICW) [5]. Bioelektrilise impedantsi spektroskoopia (BIS) laiendab seda lähenemist pideva sagedusskaneerimisega (tavaliselt 4 kHz kuni 1000 kHz) ning sobitab andmed Cole-Cole'i graafikute ja Hanai seguvõrranditega, et tuletada matemaatiliselt intra- ja ekstratsellulaarsed takistused ning keha rakumass [5, 20].

Multisegmentaalsed süsteemid (SEG-BIA) kasutavad kaheksapunktilist taktiilset elektroodikonfiguratsiooni (kaks elektroodi kummagi käe ja jala kohta), et käsitleda keha mitte ühe ühtlase silindrina, vaid viie eraldiseisva silindrina: kere ja neli jäset [5]. Hoolimata nendest tehnoloogilistest täiustustest toetuvad kõik BIA meetodid kolmele füüsikalisele ja füsioloogilisele põhieeldusele: (1) inimkeha käitub ühtlaste, isotroopsete juhtide kogumina; (2) vool jaotub koe ristlõikes ühtlaselt; ja (3) keha koguveesisaldus (TBW) moodustab rasvavabast massist (FFM) kindla ja püsiva osa – traditsiooniliselt 72,3% [18].

Mõõtmisviga ja erinevused kriteeriummudelitest

MF-BIA valiidsuse kindlakstegemiseks võrdlevad kaasaegsed valideerimisuuringud seadmete tulemusi mitmekomponentsete kriteeriummudelitega. Neljakomponentne (4C) molekulaarne mudel kujutab endast inimkeha koostise hindamise kuldstandardit [1, 20]. 4C mudel mõõdab kehamassi (BM), keha ruumala (BV õhu väljatõrje pletüsmograafia või hüdrodensitomeetria abil), TBW-d (deuteeriumi isotooplahjenduse või BIS-i abil) ja luu mineraalainete sisaldust (BMC kahe energiatasemega röntgenabsorptsioonimeetria ehk DXA abil) [1, 20]. Need sisendid lahendatakse samaaegselt varem kindlaksmääratud võrrandite abil, näiteks Wangi jt väljatöötatud valemi järgi [1, 20]:

$$\text{FM (kg)}=2.748\times \text{BV}-0.699\times \text{TBW}+1.129\times \text{BMC}-2.051\times \text{BM}$$

Erinevate laborite seadmevalikute tõttu eksisteerib 4C-mudelist vähemalt 12 variatsiooni [1].

Süstemaatiline ülevaade (PROSPERO CRD42023266802), milles hinnati 12 uuringut tervetel ja stabiilse kehakaaluga täiskasvanutel 20-punktilise AXIS-tööriista abil, näitas, et BIA-seadmed erinevad 4C-kriteeriummudeliga võrreldes märkimisväärselt [1]. Rühma tasemel jäi keha rasvaprotsendi (%BF) keskmine nihe vahemikku -3,5% kuni +4,4%, kuid individuaalsed kokkulangevuspiirid (LOA) ulatusid 15 kuni 20 protsendipunktini [1]. FFM-i puhul jäi keskmine nihe vahemikku -3,9 kg kuni +1,8 kg, kusjuures individuaalsed kokkulangevuspiirid ületasid sageli ±6 kg [1].

Sarnased lahknevused ilmnevad siis, kui kaasaegseid kaheksapunktilisi MF-BIA süsteeme võrreldakse DXA-ga. InBody 770 usaldusväärsuse ja valideerimise uuringus näitas süsteem korduvkatsetes peaaegu täiuslikku kordustesti reliaablust (kogu keha vee ja massi klassisisese korrelatsiooni kordajad $\ge 0.999$) [3]. Võrdluses DXA-ga ilmnesid seadmel aga süstemaatilised mõõtmisnighed: %BF alahinnati keskmiselt -4,0 ± 2,8% võrra (hinnangu standardviga [SEE] = 2,6%), rasvamassi alahinnati -2,9 ± 2,0 kg võrra (SEE = 1,9 kg) ning FFM-i ülehinnati 2,8 ± 2,1 kg võrra (SEE = 2,2 kg) [3].

Sportlaste kohortides jääb rasvaprotsendi üldine ennustuslik ebatäpsus kriteeriumstandardite suhtes tavaliselt vahemikku 2–3% kuni 5–6% [18]. Suunaline nihe varieerub ka alapopulatsiooniti: jõutreeninguga tegelevatel meestel ülehindas InBody 720 %BF-i DXA-ga võrreldes ~1,2%, samas kui 104 noorest meessportlasest koosnevas kohordis alahindas BIA %BF-i DXA-ga võrreldes 2,0% ja õhu väljatõrje pletüsmograafiaga võrreldes 5,3% [18]. Tavatarbijale mõeldud kaalud näitavad veelgi suuremaid lahknevusi, alahinnates keharasva keskmiselt umbes 5 kg võrra (LOA ±7 kg), vaatamata lineaarsele korrelatsioonile 0,75–0,81 magnetresonantstomograafiaga (MRT) [4].

Metoodilised ja akuutsed bioloogilised segavad tegurid

Kuna BIA tuletab koestruktuuri elektrijuhtivusest, moonutavad akuutsed kõikumised hüdratatsioonis, elektrolüütide kontsentratsioonis ja naha temperatuuris otseselt väljundnäitajaid [4, 5]. Dehüdratatsioon suurendab kudede üldist takistust, mis võib põhjustada FFM-i alahindamist ligikaudu 5 kg võrra (suurendades seeläbi kunstlikult arvutuslikku keha rasvaprotsenti) [4]. Seevastu vahetult enne mõõtmist sooritatud 90–120-minutiline mõõduka intensiivsusega treening parandab perifeerset verevoolu ja tõstab naha temperatuuri, vähendades mõõdetud impedantsi ning ülehinnates FFM-i kuni 12 kg võrra [4].

Nende artefaktide minimeerimiseks nõuavad standardiseeritud testimiseelsed protokollid sportlastelt järgmist:

• Hoiduda alkoholi ja kofeiini tarbimisest 24 tunni jooksul [5].
• Hoiduda raskest füüsilisest koormusest vähemalt 8 tunni jooksul [5].
• Olla söömata ja joomata 4 tundi enne mõõtmist [5].
• Vältida diureetikumide kasutamist 7 päeva enne testimist [5].

Võistlevatel fitnessi- ja kulturismiatleetidel esineb üksikute hindamismeetodite (nagu eraldiseisev DXA või eraldiseisev BIS) kasutamisel 4C-mudelite suhtes proportsionaalne nihe ja lai 95% LOA [13]. BIS-ist tuletatud keha koguveesisalduse hinnangute integreerimine mitmekomponentsesse raamistikku (näiteks 3-komponentsesse mudelisse) annab väiksema hinnangu standardvea, väiksema koondvea ja kitsamad kokkulangevuspiirid kui ükski eraldiseisev üksikmeetod [13]. Enne 2020. aastat andsid standardne BIA ja bioelektrilise impedantsi vektoranalüüs (BIVA) sportlaste sihtrühmas sageli ebatäpseid hinnanguid, kuna puudusid sportlastele kohandatud regressioonimudelid ja standardsed referents-tolerantsellipsid [20].

FFMI lävend 25,0: päritolu ja metoodiline kontekst

Rasvavaba massi indeks (FFMI) suhestab absoluutse rasvavaba massi pikkusega, standardiseerides lihasmassi kasvust sõltumatult:

$$\text{FFMI}=\frac{\text{FFM (kg)}}{{\text{Height (m)}}^2}$$

Kontseptsioon FFMI loomulikust bioloogilisest ülempiirist pärineb suures osas Kouri jt 1995. aasta teedrajavast uuringust [8]. Autorid hindasid 157 meessportlast, kellest 83 kasutasid omal kinnitusel anaboolseid-androgeenseid steroide (AAS) ja 74 olid mittakasutajad, analüüsides lisaks 20 steroidieelse ajastu (1939–1959) Mr. America võitjat [8]. Et võtta arvesse pikkusega seotud kergeid jääkmõjusid, töötasid Kouri jt välja normaliseeritud FFMI mõõdiku, mis on standardiseeritud pikkusele 1,80 meetrit [8]:

$$\text{Normalized FFMI}=\text{FFMI}+6.3\times (1.80-\text{Height (m)})$$

Mittakasutajate rühmas ulatusid normaliseeritud FFMI väärtused maksimaalselt 25,0-ni, samas kui AAS-i kasutajad ületasid sageli 25,0, kusjuures mitme inimese näitaja ületas 30,0 [8]. Steroidieelse ajastu Mr. America tšempionite hinnanguline keskmine normaliseeritud FFMI oli 25,4 (üksikute sportlaste, näiteks 1948. aasta Mr. America George Eifermani väärtus ulatus hinnanguliselt 27,7-ni) [8, 9]. Need tulemused lõid sporditeaduses ja kulturismikirjanduses laialt levinud seisukoha, et normaliseeritud FFMI 25,0 tähistab dopinguvabade meessportlaste ranget füsioloogilist piiri [8, 9].

Kaasaegsed sportlaste andmed ja geneetilised ülempiirid

Hilisemad uuringud näitavad, et 25,0 lävend ei ole absoluutne bioloogiline maksimum, eriti kui arvesse võtta erinevaid spordialasid, kõrgemat rasvaprotsenti või geneetiliselt eliitklassi kuuluvaid atleete [9, 12].

Läbilõikeuuringus, kus hinnati DXA abil 235 NCAA üliõpilasliiga ameerika jalgpallurit, ületas 26,4% kohordist (62 sportlast) FFMI taseme 25,0 kg/m² [12]. Kogu valimi keskmine oli 23,7 ± 2,1 kg/m², 97,5. protsentiil ulatus 28,1 kg/m²-ni ning ründe- ja kaitseliini mängijate seas ulatusid tippväärtused 31,7 kg/m²-ni [12]. I divisjoni jalgpalluritel oli oluliselt kõrgem keskmine FFMI (24,3 ± 1,8 kg/m²) kui II divisjoni sportlastel (23,4 ± 1,8 kg/m²; $p<0.001$, $d=0.49$) [12].

Kaasaegne statistiline modelleerimine dopingutestitud sportlaste populatsioonides (standardiseerituna pikkuse ja kehakoostise mõõtmisvea suhtes) näitab, et naturaalne lihaspotentsiaal järgib populatsioonilist jaotust, mitte ühte kindlat piirväärtust [11]. Dopinguvabade meeste puhul vastab normaliseeritud FFMI ~23,0 ligikaudu treenitud naturaalse potentsiaali 50. protsentiilile, samas kui geneetiliste erandite 97. protsentiil võib ulatuda ~28,5-ni [9].

Naissportlaste puhul on bioloogilised piirid madalamad, kuna treenimata olekus on nende algne rasvavaba mass ligikaudu 30% väiksem (treenimata naiste keskmine FFMI on 15,4, meestel 18,9) [9, 11]. Naturaalse naiste lihasmassi ülempiiriks hinnatakse ligikaudu 20,0 kuni 23,5 kg/m², mis moodustab ~80–81% meeste võimekusest [9, 11]. Eliittasemel dopingutestitud fitnessi- ja kulturisminaissportlastel on 4C-mudelil põhinevad võistlusvormi FFMI referentsväärtused keskmiselt 18,3 ± 1,4 kg/m² (19,7 ± 4,9% BF), samas kui sama 4C valideerimiskohordi meeskulturistidel oli see keskmiselt 25,1 ± 1,8 kg/m² (11,8 ± 4,4% BF) [13].

BIA mõõtmisvea arvestamine FFMI tõlgendamisel

Kuna FFMI arvutused sõltuvad otseselt hinnangulisest keha rasvaprotsendist, kandub mõõteseadme viga olulisel määral üle lõplikku indeksisse [7]. Tavalised veapiirid levinud kehakoostise hindamise meetodite puhul on:

• DXA: ±1% kuni 2% [7]
• Õhu väljatõrje pletüsmograafia (BOD POD): ±2% kuni 3% [7]
• Nahavoldikaliibrid: ±3% kuni 5% [7]
• Bioelektriline takistus: ±5% kuni 8% [7]

Keha rasvaprotsendi 5%-line mõõtmisviga nihutab indiviidi arvutuslikku FFMI-d 2,0 kuni 3,0 punkti võrra [7]. Näiteks 1,80 m pikkuse ja 95 kg kaaluva mehe puhul annab seade, mis alahindab keharasva 10%-le, FFM-iks 85,5 kg ja FFMI-ks 26,4 kg/m². Kui tegelik rasvaprotsent on 15%, on tegelik FFM 80,75 kg ja FFMI 24,9 kg/m² – seega ületatakse klassikaline naturaalse lihasmassi lävend üksnes mõõtmisvea artefaktina [7, 8].

Üliõpilassportlastel (33 meessoost pesapallurit, 16 naissoost võimlejat) alahindas Omron HBF-500 BIA seade oluliselt DXA-põhist FFMI-d nii meestel (20,6 kg/m² vs. 21,1 kg/m², $p=0.007$; koondviga = 0,93 kg/m²) kui ka naistel (16,2 kg/m² vs. 17,5 kg/m², $p=0.001$; koondviga = 0,78 kg/m²) [16]. Seade alahindas FFMI-d 70%-l meestest ja 100%-l naistest (kogu valimis 77%-l) [16]. Sellest hoolimata jäi 98% BIA hinnangutest DXA referentsstandardi suhtes vahemikku ±2,0 kg/m² [16].

Järelikult sobib MF-BIA rangelt standardiseeritud tingimustes pikisuunaliste trendide jälgimiseks samal indiviidil, kuid individuaalsel tasemel esinevad vead (LOA vahemikuga ±6 kg FFM ja ±15–20% BF) välistavad selle kasutamise sportlase naturaalse staatuse lõplikuks määramiseks teoreetiliste FFMI ülempiiride suhtes [1, 3, 7].