BIA tauku mērījumi: kā kļūdas ietekmē FFMI rādītāju

MF-BIA tehniskie pamati un darbības pieņēmumi

Bioelektriskās impedances analīze (BIA) nosaka ķermeņa sastāvu, mērot bioloģisko audu pretestību (impedanci) maiņstrāvai [4, 20]. Fāžu jutīgās sistēmas sadala kopējo impedanci divās atsevišķās komponentēs: aktīvajā pretestībā ($R$), kas atspoguļo pretestību strāvas plūsmai caur ārpusšūnu un iekššūnu ūdeni, un reaktīvajā pretestībā ($X_c$), kas atspoguļo šūnu membrānu kapacitatīvo efektu [20].

Standarta vienas frekvences BIA (SF-BIA) parasti izmanto 50 kHz maiņstrāvu, kas galvenokārt plūst caur ārpusšūnu ūdeni (ECW), pilnībā nešķērsojot šūnu membrānas [5]. Turpretī daudzfrekvenču BIA (MF-BIA) izmanto diskrētu mērījumu frekvenču spektru līdz pat 800 kHz vai 1000 kHz [5, 20]. Zemākas frekvences (<50 kHz) pārsvarā pārvietojas pa ECW, savukārt augstākas frekvences (>100 kHz) iekļūst šūnu membrānā, ļaujot vienlaicīgi novērtēt gan ārpusšūnu, gan iekššūnu ūdeni (ICW) [5]. Bioelektriskās impedances spektroskopija (BIS) paplašina šo pieeju, izmantojot nepārtrauktu frekvenču diapazonu (parasti no 4 kHz līdz 1000 kHz) un pielāgojot datus Koula-Koula (Cole-Cole) līknēm un Hanai maisījuma vienādojumiem, lai matemātiski aprēķinātu iekššūnu un ārpusšūnu pretestību, kā arī ķermeņa šūnu masu [5, 20].

Daudzsegmentu sistēmas (SEG-BIA) izmanto astoņu punktu taustes elektrodu konfigurāciju (divi elektrodi katrai rokai un pēdai), lai ķermeni uztvertu nevis kā vienu viendabīgu cilindru, bet kā piecus atsevišķus cilindrus: torsu un četras ekstremitātes [5]. Neraugoties uz šiem tehnoloģiskajiem uzlabojumiem, visas BIA modalitātes balstās uz trim fundamentāliem fizikāliem un fizioloģiskiem pieņēmumiem: (1) cilvēka ķermenis funkcionē kā viendabīgu, izotropisku vadītāju kopums; (2) strāva vienmērīgi sadalās pa visu audu šķērsgriezumu; un (3) kopējais ķermeņa ūdens daudzums (TBW) veido fiksētu, nemainīgu beztauku masas (FFM) daļu — tradicionāli 72,3% [18].

Mērījumu kļūdas un kritēriju neatbilstības

Lai noteiktu MF-BIA validitāti, mūsdienu validācijas pētījumos ierīču rādītāji tiek salīdzināti ar daudznodalījumu kritērija modeļiem. Četru nodalījumu (4C) molekulārais modelis ir zelta standarts cilvēka ķermeņa sastāva novērtēšanā [1, 20]. 4C modelis mēra ķermeņa masu (BM), ķermeņa tilpumu (BV, izmantojot gaisa izspiešanas pletizmogrāfiju vai hidrodensitometriju), TBW (izmantojot deitērija izotopu atšķaidīšanu vai BIS) un kaulu minerālvielu saturu (BMC, izmantojot divu enerģiju rentgena absorbciometriju, DXA) [1, 20]. Šie mainīgie tiek aprēķināti vienlaicīgi, izmantojot apstiprinātus vienādojumus, piemēram, Wang et al. izstrādāto formulu [1, 20]:

$$\text{FM (kg)}=2,748\times \text{BV}-0,699\times \text{TBW}+1,129\times \text{BMC}-2,051\times \text{BM}$$

Tā kā dažādās laboratorijās tiek izmantoti atšķirīgi instrumenti, pastāv vismaz 12 šī 4C modeļa modifikācijas [1].

Sistemātiskā pārskatā (PROSPERO CRD42023266802), kurā tika vērtēti 12 pētījumi ar veseliem pieaugušajiem ar stabilu ķermeņa svaru, izmantojot 20 punktu AXIS rīku, atklājās, ka BIA ierīcēm ir būtiska neatbilstība salīdzinājumā ar 4C kritērija modeli [1]. Grupas līmenī vidējā nobīde ķermeņa tauku procentam (%BF) svārstījās no -3,5% līdz +4,4%, bet individuālās vienprātības robežas (LOA) aptvēra 15 līdz 20 procentpunktus [1]. FFM gadījumā vidējā nobīde bija robežās no -3,9 kg līdz +1,8 kg, un individuālās vienprātības robežas bieži pārsniedza ±6 kg [1].

Līdzīgas neatbilstības atklājas, salīdzinot mūsdienu astoņpunktu MF-BIA sistēmas ar DXA. InBody 770 uzticamības un validācijas pētījumā sistēma uzrādīja gandrīz perfektu atkārtoto testu uzticamību (kopējā ķermeņa ūdens un masas intraklases korelācijas koeficienti $\ge 0,999$) [3]. Tomēr, salīdzinot ar DXA, ierīce uzrādīja sistemātiskas mērījumu nobīdes: %BF tika nenovērtēts ar vidējo nobīdi -4,0 ± 2,8% (novērtējuma standartkļūda [SEE] = 2,6%), tauku masa tika novērtēta par zemu par -2,9 ± 2,0 kg (SEE = 1,9 kg), un FFM tika pārvērtēta par 2,8 ± 2,1 kg (SEE = 2,2 kg) [3].

Sportistu kohortās vispārējā prognožu kļūda ķermeņa tauku procentam salīdzinājumā ar kritēriju standartiem parasti svārstās no 2–3% līdz 5–6% [18]. Nobīdes virziens atšķiras arī pa apakšgrupām: InBody 720 pārvērtēja %BF par ~1,2% salīdzinājumā ar DXA vīriešiem, kuri nodarbojas ar spēka treniņiem, savukārt 104 jaunu vīriešu sportistu kohortā BIA nenovērtēja %BF par 2,0% salīdzinājumā ar DXA un par 5,3% salīdzinājumā ar gaisa izspiešanas pletizmogrāfiju [18]. Plaša patēriņa svari uzrāda vēl lielākas neatbilstības, nenovērtējot ķermeņa tauku daudzumu vidēji par aptuveni 5 kg (±7 kg LOA), neraugoties uz lineāro korelāciju no 0,75 līdz 0,81 salīdzinājumā ar magnētiskās rezonanses tomogrāfiju (MRT) [4].

Metodoloģiskie un akūtie bioloģiskie blakusfaktori

Tā kā BIA audu sastāvu nosaka pēc elektriskās vadītspējas, akūtas hidratācijas, elektrolītu koncentrācijas un ādas temperatūras svārstības tieši ietekmē gala rādītājus [4, 5]. Dehidratācija palielina audu kopējo pretestību, kas var izraisīt FFM nenovērtēšanu par aptuveni 5 kg (tādējādi mākslīgi paaugstinot aprēķināto ķermeņa tauku procentu) [4]. Un otrādi — vidējas intensitātes fiziskā slodze 90–120 minūšu garumā tieši pirms testa pastiprina perifēro asinsriti un paaugstina ādas temperatūru, samazinot izmērīto pretestību un pārvērtējot FFM līdz pat 12 kg [4].

Lai mazinātu šīs novirzes, standartizētie pirmsnovērtēšanas protokoli pieprasa sportistiem:

• Atturēties no alkohola un kofeīna lietošanas 24 stundas [5].
• Atturēties no intensīvas fiziskās slodzes vismaz 8 stundas [5].
• Neēst un nedzert 4 stundas pirms testa [5].
• Izvairīties no diurētisku līdzekļu lietošanas 7 dienas pirms testa [5].

Vērtējot fitnesa un kultūrisma sportistus sagatavošanās posmā, atsevišķi mērīšanas rīki (piemēram, tikai DXA vai tikai BIS) uzrāda proporcionālu nobīdi un plašas 95% LOA, ja tos salīdzina ar 4C modeļiem [13]. BIS iegūto kopējā ķermeņa ūdens datu iekļaušana daudznodalījumu sistēmā (piemēram, 3 nodalījumu modelī) nodrošina mazākas novērtējuma standartkļūdas, mazāku kopējo kļūdu un šaurākas vienprātības robežas nekā jebkura atsevišķa viena mērījuma metode [13]. Pirms 2020. gada standarta BIA un bioelektriskās impedances vektoru analīze (BIVA) sportistu vidū bieži sniedza neprecīzus rezultātus, jo trūka sportistiem specifisku regresijas modeļu un pielāgotu atsauces tolerances elipšu [20].

25,0 FFMI robeža: izcelsme un metodoloģiskais konteksts

Beztauku masas indekss (FFMI) attiecina absolūto beztauku masu pret augumu, standartizējot muskuļu masu neatkarīgi no auguma garuma:

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

Koncepcija par dabisko bioloģisko FFMI robežu lielā mērā cēlusies no Kouri et al. 1995. gada nozīmīgā pētījuma [8]. Autori novērtēja 157 vīriešu dzimuma sportistus, tostarp 83 anaboliski-androgēno steroīdu (AAS) lietotājus un 74 nelietotājus, kā arī veica 20 "Mr. America" uzvarētāju analīzi no pirmssteroīdu ēras (1939–1959) [8]. Lai ņemtu vērā nelielas atlikušās auguma mērogošanas atšķirības, Kouri et al. ieviesa normalizētu FFMI rādītāju, kas standartizēts pret 1,80 metru augumu [8]:

$$\text{Normalizētais FFMI}=\text{FFMI}+6,3\times (1,80-\text{Augums (m)})$$

Nelietotāju grupā normalizētās FFMI vērtības nepārsniedza 25,0, turpretī AAS lietotāji regulāri pārsniedza 25,0 robežu, un vairāki indivīdi pārsniedza pat 30,0 [8]. Pirmssteroīdu ēras "Mr. America" čempioniem aprēķinātais vidējais normalizētais FFMI bija 25,4 (atsevišķiem sportistiem, piemēram, 1948. gada "Mr. America" Džordžam Eifermanam (George Eiferman), sasniedzot pat aptuveni 27,7) [8, 9]. Šie secinājumi sporta zinātnē un kultūrisma literatūrā izveidoja plaši pieņemtu uzskatu, ka normalizēts FFMI 25,0 ir stingra fizioloģiskā robeža vīriešiem bez dopinga lietošanas [8, 9].

Mūsdienu sportistu dati un ģenētiskie griesti

Vēlākie pētījumi liecina, ka 25,0 slieksnis nav absolūts bioloģiskais maksimums, it īpaši, ja tiek analizētas dažādas sporta disciplīnas, lielāks ķermeņa tauku daudzums vai sportisti ar izcilu ģenētiku [9, 12].

Pētījumā ar 235 koledžu NCAA amerikāņu futbola spēlētājiem, kuri tika pārbaudīti, izmantojot DXA, 26,4% no kohortas (62 sportisti) pārsniedza FFMI 25,0 kg/m² [12]. Kopējās izlases vidējais rādītājs bija 23,7 ± 2,1 kg/m², 97,5. procentīle sasniedza 28,1 kg/m², un augstākās vērtības uzbrukuma un aizsardzības līnijas spēlētājiem sasniedza 31,7 kg/m² [12]. I divīzijas futbolistiem bija ievērojami augstāks vidējais FFMI (24,3 ± 1,8 kg/m²) nekā II divīzijas sportistiem (23,4 ± 1,8 kg/m²; $p<0,001$, $d=0,49$) [12].

Mūsdienu statistiskā modelēšana dopinga pārbaudītās sportistu populācijās (standartizējot auguma un ķermeņa sastāva mērījumu kļūdas) norāda, ka dabiskais muskuļu potenciāls atbilst populācijas sadalījumam, nevis vienam konkrētam robežlielumam [11]. Vīriešiem bez dopinga lietošanas normalizēts FFMI ~23,0 aptuveni atbilst trenēta dabiskā potenciāla 50. procentīlei, savukārt 97. procentīles ģenētiskie izņēmumi var sasniegt pat ~28,5 [9].

Sievietēm bioloģiskie griesti ir zemāki, jo netrenētā stāvoklī bāzes beztauku masa ir par aptuveni 30% mazāka (netrenētām sievietēm vidējais FFMI ir 15,4, salīdzinot ar 18,9 vīriešiem) [9, 11]. Dabiskās sieviešu muskulatūras augšējā robeža tiek lēsta aptuveni no 20,0 līdz 23,5 kg/m², kas veido ~80–81% no vīriešu potenciāla [9, 11]. Elitārām, dopinga pārbaudītām fitnesa sportistēm sacensību formā (19,7 ± 4,9% BF) ar 4C modeli noteiktā FFMI atsauces vērtība vidēji ir 18,3 ± 1,4 kg/m², savukārt vīriešu kultūristiem tajā pašā 4C validācijas kohortā vidējais rādītājs bija 25,1 ± 1,8 kg/m² (11,8 ± 4,4% BF) [13].

BIA mērījumu kļūdas un FFMI interpretācijas saskaņošana

Tā kā FFMI aprēķini ir tieši atkarīgi no aprēķinātā ķermeņa tauku procenta, izmantotās ierīces mērījumu kļūda būtiski ietekmē galīgo indeksu [7]. Tipiskās kļūdu robežas dažādām ķermeņa sastāva novērtēšanas metodēm ir:

• DXA: ±1% līdz 2% [7]
• Gaisa izspiešanas pletizmogrāfija (BOD POD): ±2% līdz 3% [7]
• Kaliperometrija (ādas kroku mērīšana): ±3% līdz 5% [7]
• Bioelektriskā impedance: ±5% līdz 8% [7]

Ķermeņa tauku procenta mērījuma kļūda par 5% maina indivīda aprēķināto FFMI par 2,0 līdz 3,0 punktiem [7]. Piemēram, 1,80 m garam vīrietim, kurš sver 95 kg, ierīce, kas nepietiekami novērtē ķermeņa taukus kā 10%, uzrāda FFM 85,5 kg un FFMI 26,4 kg/m². Ja patiesais ķermeņa tauku daudzums ir 15%, faktiskā FFM ir 80,75 kg, kas dod FFMI 24,9 kg/m² — tādējādi klasisko dabiskās muskulatūras robežu indivīds šķērso tikai mērījuma kļūdas dēļ [7, 8].

Koledžas sportistiem (33 beisbolistiem un 16 vingrotājām) Omron HBF-500 BIA ierīce ievērojami nenovērtēja ar DXA iegūto FFMI gan vīriešiem (20,6 kg/m² pret 21,1 kg/m², $p=0,007$; kopējā kļūda = 0,93 kg/m²), gan sievietēm (16,2 kg/m² pret 17,5 kg/m², $p=0,001$; kopējā kļūda = 0,78 kg/m²) [16]. Ierīce nenovērtēja FFMI 70% vīriešu un 100% sieviešu (77% no visas izlases) [16]. Tomēr 98% no BIA aplēsēm iekļāvās ±2,0 kg/m² robežās no DXA atsauces standarta [16].

Tādējādi MF-BIA ir piemērota dinamikas izsekošanai vienam un tam pašam indivīdam stingri standartizētos apstākļos, taču individuālā līmeņa kļūdas (LOA sasniedz ±6 kg FFM un ±15–20% BF) liedz to izmantot, lai viennozīmīgi klasificētu sportista dabisko statusu attiecībā pret teorētiskajiem FFMI griestiem [1, 3, 7].