BIA kūno riebalų matavimai: kaip paklaidos keičia jūsų FFMI?

Techniniai MF-BIA pagrindai ir veikimo prielaidos

Bioelektrinio impedanso analizė (BIA) kūno kompoziciją vertina matuodama biologinių audinių pasipriešinimą (impedansą) kintamajai elektros srovei [4, 20]. Fazėms jautrios sistemos bendrąjį impedansą išskaido į du atskirus komponentus: aktyviąją varžą ($R$), atspindinčią pasipriešinimą srovės tėkmei per intra- ir ekstraląstelinį vandenį, bei reaktyviąją varžą ($X_c$), atspindinčią ląstelių membranų talpinį (talpuminį) efektą [20].

Standartinė vieno dažnio BIA (SF-BIA) paprastai naudoja 50 kHz kintamąją srovę, kuri daugiausia teka per ekstraląstelinį vandenį (ECW) ir visiškai neprasiskverbia pro ląstelių membranas [5]. Priešingai, daugiadažnė BIA (MF-BIA) taiko diskrečiųjų atrankos dažnių spektrą, siekiantį iki 800 kHz arba 1000 kHz [5, 20]. Žemesni dažniai (<50 kHz) daugiausia sklinda per ECW, o aukštesni dažniai (>100 kHz) prasiskverbia pro ląstelės membraną, todėl galima vienu metu įvertinti tiek ekstraląstelinį, tiek intraląstelinį vandenį (ICW) [5]. Bioelektrinio impedanso spektroskopija (BIS) šį principą išplečia taikydama tolydų dažnių skleidimą (paprastai nuo 4 kHz iki 1000 kHz) ir pritaikydama duomenis Cole-Cole kreivėms bei Hanai mišinio lygtims, kad matematiškai išvestų intra- ir ekstraląstelines varžas bei kūno ląstelių masę [5, 20].

Daugiasegmentės sistemos (SEG-BIA) naudoja aštuonių taškų taktilių elektrodų konfigūraciją (po du elektrodus kiekvienai rankai ir kojai), kad kūnas būtų traktuojamas ne kaip vienas vientisas cilindras, o kaip penki atskiri cilindrai: liemuo ir keturios galūnės [5]. Nepaisant šių technologinių patobulinimų, visi BIA metodai remiasi trimis esminėmis fizikinėmis ir fiziologinėmis prielaidomis: (1) žmogaus kūnas veikia kaip vienalyčių, izotropinių laidininkų sistema; (2) srovė tolygiai pasiskirsto audinių skerspjūviuose; ir (3) bendras kūno vanduo (TBW) sudaro fiksuotą, pastovią neriebalinės masės (FFM) dalį – tradiciškai 72,3 % [18].

Matavimo paklaida ir neatitikimai lyginant su kriteriniais modeliais

Siekiant nustatyti MF-BIA validumą, šiuolaikiniuose validavimo tyrimuose prietaisų rodmenys lyginami su daugiakomponenčiais kriteriniais modeliais. Keturių komponenčių (4C) molekulinis modelis laikomas auksiniu standartu vertinant žmogaus kūno kompoziciją [1, 20]. 4C metodika matuoja kūno masę (BM), kūno tūrį (BV, taikant oro išstūmimo pletizmografiją arba hidrodensitometriją), TBW (taikant deuterio izotopų skiedimą arba BIS) ir kaulų mineralų kiekį (BMC, taikant dvigubos energijos rentgeno spindulių sugerties matavimą, DXA) [1, 20]. Šie kintamieji įtraukiami į nustatytas lygtis, pavyzdžiui, Wang ir kt. sukurtą formulę [1, 20]:

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

Dėl skirtingų prietaisų pasirinkimo atskirose laboratorijose egzistuoja mažiausiai 12 šio 4C modelio modifikacijų [1].

Sisteminė apžvalga (PROSPERO CRD42023266802), kurioje pagal 20 punktų AXIS įrankį buvo įvertinta 12 tyrimų su sveikais, stabilaus svorio suaugusiaisiais, atskleidė, kad BIA prietaisai rodo reikšmingą neekvivalentiškumą, palyginti su 4C kriteriniu modeliu [1]. Grupės lygmeniu kūno riebalų procentinės dalies (%BF) vidutinis nuokrypis svyravo nuo -3,5 % iki +4,4 %, tačiau individualios sutapimo ribos (LOA) apėmė net nuo 15 iki 20 procentinių punktų [1]. FFM vidutinis nuokrypis svyravo nuo -3,9 kg iki +1,8 kg, o individualios sutapimo ribos dažnai viršijo ±6 kg [1].

Panašūs neatitikimai išryškėja ir lyginant šiuolaikines aštuonių taškų MF-BIA sistemas su DXA. „InBody 770“ patikimumo ir validavimo tyrime sistema pademonstravo beveik nepriekaištingą pakartotinių matavimų patikimumą (viso kūno vandens ir masės vidinės klasės koreliacijos koeficientai $\ge 0,999$) [3]. Vis dėlto, lyginant su DXA, prietaisas demonstravo sisteminius matavimo poslinkius: %BF buvo nepakankamai įvertintas vidutiniškai -4,0 ± 2,8 % nuokrypiu (standartinė vertinimo paklaida [SEE] = 2,6 %), riebalų masė nepakankamai įvertinta -2,9 ± 2,0 kg (SEE = 1,9 kg), o FFM pervertinta 2,8 ± 2,1 kg (SEE = 2,2 kg) [3].

Sportininkų imtyse bendras kūno riebalų procentinės dalies prognozavimo netikslumas, lyginant su kriteriniais standartais, paprastai siekia nuo 2–3 % iki 5–6 % [18]. Nuokrypio kryptis taip pat skiriasi atskirose subpopuliacijose: „InBody 720“ pervertino jėgos treniruotes atliekančių vyrų %BF maždaug 1,2 %, palyginti su DXA, tuo tarpu 104 jaunų sportininkų vyrų kohortoje BIA nepakankamai įvertino %BF 2,0 %, palyginti su DXA, ir 5,3 %, palyginti su oro išstūmimo pletizmografija [18]. Buitinės svarstyklės pasižymi dar didesniais neatitikimais – jos kūno riebalus vidutiniškai nuvertina maždaug 5 kg (±7 kg LOA), nepaisant 0,75–0,81 tiesinės koreliacijos lyginant su magnetinio rezonanso tomografija (MRT) [4].

Metodologiniai ir ūmūs biologiniai trikdžiai

Kadangi BIA audinių sudėtį nustato pagal elektrinį laidumą, ūmūs hidratacijos, elektrolitų koncentracijos ir odos temperatūros svyravimai tiesiogiai iškraipo gaunamus rodiklius [4, 5]. Dehidratacija padidina bendrą audinių varžą, todėl FFM gali būti nepakankamai įvertinta maždaug 5 kg (taip dirbtinai padidinant apskaičiuotą kūno riebalų procentą) [4]. Priešingai, vidutinio intensyvumo fiziniai pratimai, trunkantys 90–120 minučių prieš pat testavimą, sustiprina periferinę kraujotaką ir padidina odos temperatūrą, sumažindami išmatuotą impedansą ir pervertindami FFM net iki 12 kg [4].

Siekiant sumažinti šiuos artefaktus, standartizuoti protokolai prieš tyrimą reikalauja, kad sportininkai:

• 24 valandas nevartotų alkoholio ir kofeino [5].
• Bent 8 valandas susilaikytų nuo intensyvaus fizinio krūvio [5].
• 4 valandas nevalgytų ir negertų skysčių [5].
• 7 dienas prieš tyrimą nevartotų diuretinių vaistų [5].

Tiriant kultūrizmo ir fitneso sportininkus, pavieniai vertinimo įrankiai (tokie kaip atskiras DXA arba atskiras BIS) pasižymi proporciniu nuokrypiu ir plačiomis 95 % LOA ribomis, lyginant su 4C modeliais [13]. BIS gautų bendro kūno vandens įverčių įtraukimas į daugiakomponentį modelį (pavyzdžiui, 3 komponenčių modelį) užtikrina mažesnę standartinę vertinimo paklaidą, mažesnę bendrąją paklaidą ir siauresnes sutapimo ribas nei bet kuris pavienis vertinimo metodas [13]. Iki 2020 m. standartinė BIA ir bioelektrinio impedanso vektorių analizė (BIVA) sportininkų populiacijose dažnai pateikdavo netikslius vertinimus, nes trūko sportininkams pritaikytų regresijos modelių ir individualizuotų etaloninių tolerancijos elipsių [20].

25,0 FFMI riba: kilmė ir metodologinis kontekstas

Neriebalinės masės indeksas (FFMI) susieja absoliučią neriebalinę masę su ūgiu, standartizuodamas liesąją masę nepriklausomai nuo ūgio:

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

Natūralios biologinės FFMI viršutinės ribos koncepcija iš esmės kilo iš reikšmingo 1995 m. Kouri ir kt. tyrimo [8]. Autoriai ištyrė 157 vyrus sportininkus: 83 asmenis, vartojusius anabolinius-androgeninius steroidus (AAS), ir 74 jų nevartojusius, taip pat išanalizavo 20 „Mr. America“ nugalėtojų (1939–1959 m.), laimėjusių iki steroidų eros [8]. Siekdami atsižvelgti į nedidelį liekamąjį mastelio efektą skirtingo ūgio asmenims, Kouri ir kt. sukūrė normalizuotą FFMI rodiklį, standartizuotą 1,80 metro ūgiui [8]:

$$\text{Normalizuotas FFMI}=\text{FFMI}+6.3\times (1.80-\text{Ūgis (m)})$$

Nevartojusiųjų AAS kohortoje normalizuoto FFMI reikšmės neviršijo 25,0, tuo tarpu AAS vartotojai dažnai peržengdavo 25,0 ribą, o keli asmenys viršijo net 30,0 [8]. Iki steroidų eros gyvenusių „Mr. America“ čempionų apskaičiuotas vidutinis normalizuotas FFMI siekė 25,4 (kai kurių asmenų, pavyzdžiui, 1948 m. „Mr. America“ George'o Eifermano, apskaičiuotas rodiklis siekė 27,7) [8, 9]. Šie rezultatai sporto moksle ir kultūrizmo literatūroje suformavo plačiai paplitusią nuostatą, kad 25,0 normalizuotas FFMI yra griežta fiziologinė riba natūraliai besitreniruojantiems vyrams [8, 9].

Šiuolaikiniai sportininkų duomenys ir genetinės viršutinės ribos

Vėlesni tyrimai rodo, kad 25,0 riba nėra absoliuti biologinė viršūnė, ypač vertinant įvairių sporto šakų atstovus, asmenis su didesniu riebalų kiekiu ar išskirtinio genetinio potencialo atletus [9, 12].

Skerspjūvio tyrime, kuriame DXA metodu buvo įvertinti 235 NCAA koledžo amerikietiškojo futbolo žaidėjai, 26,4 % kohortos (62 sportininkai) viršijo 25,0 kg/m² FFMI [12]. Bendras imties vidurkis buvo 23,7 ± 2,1 kg/m², 97,5-asis procentilis siekė 28,1 kg/m², o didžiausios vertės tarp puolimo ir gynybos linijos žaidėjų pasiekė 31,7 kg/m² [12]. I diviziono futbolo žaidėjų vidutinis FFMI buvo reikšmingai didesnis (24,3 ± 1,8 kg/m²) nei II diviziono sportininkų (23,4 ± 1,8 kg/m²; $p<0,001$, $d=0,49$) [12].

Šiuolaikinis statistinis modeliui dopingo testus atliekančių sportininkų populiacijose (standartizuojant pagal ūgį ir kūno kompozicijos matavimo paklaidą) rodo, kad natūralus raumenų potencialas atitinka populiacijos pasiskirstymą, o ne vieną griežtą ribą [11]. Dopingo nevartojantiems vyrams normalizuotas FFMI ~23,0 atitinka maždaug 50-ąjį treniruoto natūralaus potencialo procentilį, o genetinių išskirčių 97-asis procentilis gali pasiekti ~28,5 [9].

Sportininkėms moterims biologinės viršutinės ribos yra proporcingai žemesnės dėl maždaug 30 % mažesnės pradinės neriebalinės masės netreniruotoje būsenoje (netreniruotų moterų vidutinis FFMI yra 15,4, palyginti su 18,9 vyrų) [9, 11]. Viršutinė natūralaus moterų raumeningumo riba vertinama maždaug 20,0–23,5 kg/m², kas sudaro ~80–81 % vyrų potencialo [9, 11]. Elitinių dopingo kontroliuojamų moterų fitneso sportininkių etaloninės 4C modeliu nustatytos FFMI vertės varžybinės formos metu vidutiniškai siekia 18,3 ± 1,4 kg/m² (esant 19,7 ± 4,9 % BF), o vyrų kultūristų toje pačioje 4C validavimo kohortoje vidurkis buvo 25,1 ± 1,8 kg/m² (esant 11,8 ± 4,4 % BF) [13].

BIA matavimo paklaidos suderinimas su FFMI interpretavimu

Kadangi FFMI skaičiavimai tiesiogiai priklauso nuo nustatytos kūno riebalų procentinės dalies, prietaiso matavimo paklaida reikšmingai persikelia į galutinį indeksą [7]. Įprastos paklaidų ribos taikant dažniausius kūno kompozicijos vertinimo metodus yra:

• DXA: nuo ±1 % iki 2 % [7]
• Oro išstūmimo pletizmografija („BOD POD“): nuo ±2 % iki 3 % [7]
• Odos raukšlių kaliperometrija: nuo ±3 % iki 5 % [7]
• Bioelektrinis impedansas: nuo ±5 % iki 8 % [7]

5 % kūno riebalų procentinės dalies matavimo paklaida asmens apskaičiuotą FFMI pakeičia nuo 2,0 iki 3,0 punkto [7]. Pavyzdžiui, 1,80 m ūgio ir 95 kg sveriančiam vyrui prietaisas, nepakankamai įvertinantis kūno riebalus ties 10 %, rodo 85,5 kg FFM ir 26,4 kg/m² FFMI. Jei tikrasis riebalų kiekis yra 15 %, tikroji FFM yra 80,75 kg, o tai atitinka 24,9 kg/m² FFMI – taigi klasikinė natūralaus raumeningumo riba peržengiama vien dėl matavimo paklaidos artefakto [7, 8].

Koledžo sportininkų tyrime (33 beisbolo žaidėjai vyrai, 16 gimnasčių moterų) „Omron HBF-500“ BIA prietaisas reikšmingai nuvertino DXA gautą FFMI tiek vyrams (20,6 kg/m² prieš 21,1 kg/m², $p=0,007$; bendroji paklaida = 0,93 kg/m²), tiek moterims (16,2 kg/m² prieš 17,5 kg/m², $p=0,001$; bendroji paklaida = 0,78 kg/m²) [16]. Prietaisas nuvertino FFMI 70 % vyrų ir 100 % moterų (77 % visos imties) [16]. Nepaisant to, 98 % BIA įverčių pateko į ±2,0 kg/m² ribas nuo DXA etaloninio standarto [16].

Todėl MF-BIA yra tinkama išilginiams (longitudiniams) pokyčiams stebėti tam pačiam asmeniui esant griežtai standartizuotoms sąlygoms, tačiau individualaus lygmens paklaidos (LOA siekiančios ±6 kg FFM ir ±15–20 % BF) neleidžia jos naudoti siekiant vienareikšmiškai nustatyti sportininko natūralumo statusą lyginant su teorinėmis FFMI ribomis [1, 3, 7].